Effiziente Wasserstoffproduktion für saubere Energie freischalten

Das kontinuierliche Wachstum der Weltbevölkerung und Wirtschaft hat zu einem deutlichen Anstieg der EnergieNachfrage geführt, von der etwa 80% durch fossile Brennstoffe gedeckt werden. Diese Ressourcen sind nicht nur dramatisch zurückgegangen, sondern auch für einen erheblichen Anstieg von Treibhausgasen (GHG) in der Umwelt verantwortlich.

Infolgedessen liegt der Fokus nun auf erneuerbaren Energiequellen, wie der Sonne, Wind, Wasser, organischen Stoffen und der Erdwärme.

Erneuerbare Energiequellen, die aus natürlichen Ressourcen gewonnen werden, die sich selbst regenerieren, sind wichtig für saubere und nachhaltige Energiesysteme. Allerdings stehen sie vor zahlreichen Herausforderungen, einschließlich unregelmäßiger Verfügbarkeit, hoher Anfangskosten, geografischer Einschränkungen und umfangreicher Raumbedürfnisse.

Dabei kommt Wasserstoff ins Spiel. Die globale Nachfrage nach Wasserstoff stieg im Jahr 2023 auf 97 Millionen Tonnen (Mt), was einem Anstieg von 2,5% gegenüber dem Vorjahr entspricht.

Die Rolle von Wasserstoff im sauberen Energiewandel

Das leichteste Element im Universum, Wasserstoff, hat sich als vielversprechende Lösung für die Erreichung eines nachhaltigeren Energiesystems herausgestellt, dank seiner Flexibilität und seiner Fähigkeit, eine große Menge Energie pro Gewicht zu speichern.

Es ist keine primäre Quelle wie die Sonne, sondern eine sekundäre, da es aus anderen Rohstoffen wie Wasser, Erdgas oder Biomasse produziert werden muss.

Wenn Wasserstoff mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas produziert wird (was derzeit die gängigste Methode ist), ist er keine saubere Energie, da er für erhebliche jährliche CO2-Emissionen verantwortlich ist.

Wenn jedoch in einer Brennstoffzelle verwendet, produziert Wasserstoff nur Wasserdampf als Nebenprodukt, was es zu einem sauberen Kraftstoff macht.

Als vielseitiger Energieträger kann Wasserstoff mehrere kritische Energieherausforderungen angehen. Es kann die Integration von erneuerbaren Energien in das Stromsystem unterstützen, indem es Energie für Wochen oder sogar Monate speichert.

Wenigemittierter Wasserstoff, der mit Kernenergie oder erneuerbarer Energie oder fossilen Brennstoffen unter Verwendung von CO2-Abscheidung produziert wird, kann dabei helfen, eine Reihe von Sektoren zu entkarbonisieren. Schwere Industrie und Langstreckentransport, bei denen die Reduzierung von Emissionen besonders herausfordernd ist, können davon stark profitieren. Diese Wasserstoffproduktion spielt jedoch noch eine marginale Rolle, bei weniger als 1% im Jahr 2023.

Wasserstoff kann tatsächlich aus verschiedenen Technologien gewonnen werden. Eine der effizientesten Methoden für die Produktion von nachhaltigem Wasserstoff ist die Wasserelektrolyse. Bei dieser energieintensiven Elektrolyse wird Elektrizität verwendet, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Technologie ist gut entwickelt und kommerziell verfügbar, obwohl die geschätzte Energieeffizienz etwa 52% beträgt.

Ein weiterer Ansatz ist die Plasmolyse, die eine Energieausbeute auf dem Niveau der Elektrolyse gezeigt hat, mit dem zusätzlichen Vorteil reduzierten Stromverbrauchs, geringerer Anfangskosten und kleinerer Gerätegröße. Jüngste Fortschritte in der Mikrofluidik und Mikroplasmen haben die Wasserstoffproduktion durch Wasserdampfplasmolyse in Bezug auf Energieeffizienz lukrativ gemacht.

Andere Möglichkeiten, Wasserstoff für die Stromerzeugung zu gewinnen, umfassen Photokatalyse, Bio-Wasserstoff und thermochemische Prozesse.

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Während die Wasserstofftechnologie vielversprechend ist, steht ihre weitverbreitete Nutzung noch vor Herausforderungen in Bezug auf Produktionskosten, Effizienz und umfassende Umweltverträglichkeit. Angesichts der Notwendigkeit sauberer Energiequellen suchen Forscher weltweit jedoch ständig nach Lösungen für diese Probleme mit neuen Materialien und besseren Technologien.

Katalysator-Innovationen treiben die Wasserstoffeffizienz voran

Während die Wasserstofftechnologien vom Konzept zur Kommerzialisierung fortschreiten, besteht eine der Hauptherausforderungen in den Materialien, die diese Systeme effizient und skalierbar machen. Um dies anzugehen, arbeiten Wissenschaftler an verschiedenen Ansätzen.

So hat beispielsweise eine Studie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, die diesen Monat in Nature veröffentlicht wurde, einen winzigen Eisenkatalysator als Alternative zu Platin in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) vorgestellt, mit dem Potenzial, die Zukunft der sauberen Energie zu verändern.

PEMFCs sind saubere Energiegeräte, die Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, wobei Wasser das einzige Nebenprodukt ist. Sie sind jedoch stark von seltenen und teuren Platin als Katalysator abhängig. Um ihre weitverbreitete Adoption zu unterstützen, haben die Forscher einen hochleistungsfähigen eisenbasierten Katalysator für diese Brennstoffzellen entwickelt.

Mit seinem cleveren “Innenaktivierung, Außenschutz”-Design kann der neue Katalysator hervorragende Leistungen erbringen, während er schädliche Nebenprodukte reduziert.

Während Fe/N-C-Katalysatoren zu den vielversprechendsten Alternativen zu den Katalysatoren der Platingruppe gehören, können ihre Aktivität und Haltbarkeit die Leistungsanforderungen nicht erfüllen. Daher haben die Forscher einen neuen Typ von Fe/N-C-Katalysator entwickelt, der aus zahlreichen Nanovorsprüngen auf 2D-C-Schichten mit einzelnen Fe-Atomen besteht, die in die innen gekrümmte Oberfläche der Nanovorsprünge eingebettet sind.

Infolgedessen konnte der neue Katalysator eine der besten Leistungen von platingruppenmetallfreien PEMFCs erbringen, mit einer Aktivitätsretention von 86% sogar nach über 300 Stunden kontinuierlichem Betrieb.

Ein weiteres wichtiges Verfahren zur Produktion von Wasserstoff auf klimaneutrale Weise durch Wasserelektrolyse ist die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEM-WE).

Um die gewünschte Reaktion zu beschleunigen, werden die Elektroden mit speziellen Elektrokatalysatoren beschichtet. Für die Anode werden häufig iridiumbasierte Katalysatoren verwendet, insbesondere für die saure Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER).

OER ist der sauerstoffproduzierende Schritt des Wasserspaltungsprozesses, der sauberen Wasserstoffenergie erzeugt, bleibt jedoch herausfordernd und ineffizient. Diese Reaktion ist am effektivsten, wenn iridiumbasierte Katalysatoren eingesetzt werden.

Entdeckt im Jahr 1803, kommt Iridium nicht in reinem Zustand in der Natur vor, sondern wird kommerziell als Nebenprodukt von Platin, Palladium, Nickel oder Kupfer gewonnen.

Iridium ist ein dichtes, hartes Metall, das von Luft, Wasser und Säuren unbeeinflusst bleibt. Aufgrund dieser Eigenschaften wird es in Zündkerzen, wissenschaftlichen Geräten, Katalysatoren, leitfähigen Tinten für die Elektronik und der Krebsbehandlung verwendet.

Das Metall wird aufgrund von Schwierigkeiten bei der Herstellung und Fertigung selten in reinem Zustand verwendet; stattdessen wird es in Form von Platinlegierungen verwendet.

Iridium (Ir) ist jedoch ein wertvolles Metall und eines der seltensten natürlich vorkommenden Elemente in der Erdkruste. Iridiumhaltige Erze finden sich in Südafrika, den Vereinigten Staaten (Alaska), Brasilien, Russland, Myanmar und Australien.

Seine Seltenheit, kombiniert mit seiner hohen Nachfrage aus Branchen wie der Elektronik, macht es sehr teuer. Iridium ist tatsächlich wertvoller als Gold und kostet fast 5.000 Dollar pro Unze.

Es ist also verständlich, dass Wissenschaftler ständig nach neuen Metallen suchen, um Iridium in der großflächigen Adoption von PEM-WEs zu ersetzen. Die Entdeckung von nicht-Ir-Alternativen ist jedoch nicht einfach und verläuft langsam aufgrund des großen Designraums, der involviert ist.

Vor einigen Monaten hat eine Studie der Advanced Institute for Materials Research (AIMR) an der Tohoku-Universität einen neuen porösen Kristallkatalysator als effiziente und langlebige Lösung für die saubere Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse detailliert.

Das Material in dieser Studie ist ein mesoporoßer, einkristalliner Co3O4, der mit atomar verteiltem Iridium für die saure OER dotiert ist.

Die mesoporene Spinelstruktur spielt eine wichtige Rolle, da sie es ermöglicht, eine hohe Ir-Beladung (13,8 Gew.%) ohne die Bildung großer Iridium-Cluster zu erreichen. Zusätzlich zu dem Platz für die Ir-Beladung hilft die Architektur auch dabei, eine stabile Umgebung zu schaffen.

Der Katalysator hielt seine Leistung über 100 Stunden mit nur 248 mV Überpotential (η10) aufrecht.

In einer weiteren jüngsten Studie haben Forscher eine “Megalibrary” erstellt, um die katalytische Aktivität von Millionen von unterschiedlichen Nanostrukturen aus einigen Schlüsselmetallen zu erforschen, um nach Alternativen zu Ir-Katalysatoren für OER im großen Maßstab und mit hoher Geschwindigkeit zu suchen.

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Schnelle Katalysator-Entdeckung mit Nanotechnologie

Die neueste Studie hat tatsächlich einen neuen Katalysator für die Wasserstoffkraftstoffproduktion entdeckt, der sowohl kostengünstig als auch energieeffizient ist.

Veröffentlicht in diesem Monat in der Zeitschrift Journal of the American Chemical Society (JACS), wurde die Entdeckung des Katalysators mithilfe einer neuen Nanopartikel-Megalibrary durchgeführt und entspricht oder übertrifft die Leistung von Iridium bei der Wasserstoffkraftstoffproduktion, bei einem Bruchteil der Kosten.

Seit langem suchen Forscher nach Alternativen zu Iridium. Was jedoch Jahrzehnte dauerte, wurde jetzt innerhalb eines einzigen Nachmittags mithilfe des neuen Werkzeugs entdeckt, das von Wissenschaftlern der Northwestern University entwickelt wurde.

Dieses neu erfundene Werkzeug wird als Megabibliothek bezeichnet und ist die weltweit erste Nanomaterial-“Datenfabrik”. Jede dieser Bibliotheken enthält Millionen von unterschiedlichen Nanopartikeln auf einem winzigen Chip.

Die Technologie wurde dann in Zusammenarbeit mit Forschern des Toyota Research Institute (TRI) verwendet, um kommerziell relevante Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion zu finden. Das Material wurde anschließend skaliert und in einem Gerät getestet. All dies geschah in Rekordzeit.

Um neue Katalysatoren zu entdecken, verwendeten die Forscher vier preiswerte und reichlich vorhandene Metalle, die alle für ihre katalytische Leistung bekannt sind. Diese Metalle sind:

1. Kobalt (CO)
2. Chrom (CR)
3. Mangan (MN)
4. Ruthenium (Ru)

Die Megabibliothek wurde dann verwendet, um rasch umfangreiche Kombinationen dieser Metalle zu untersuchen, um ein neues Material zu finden, dessen Leistung mit der von Iridium vergleichbar ist.

Das Team fand tatsächlich ein neues Material, das mit kommerziellen iridiumbasierten Materialien in Labortests vergleichbar war, in einigen Fällen sogar ihre Leistung übertraf, bei einem Bruchteil der Kosten.

Diese Entdeckung könnte sauberen Wasserstoff erschwinglich machen.

Darüber hinaus zeigt das neue Material die Effektivität des Megabibliotheks-Ansatzes, der die Art und Weise, wie Forscher neue Materialien für verschiedene Anwendungen entdecken, verändern kann.

Laut dem leitenden Studienautor Chad A. Mirkin, der der Haupterfinder der Megabibliotheks-Plattform ist und die Megabibliotheken vor etwa einem Jahrzehnt, 2016, einführte:

“Wir haben unbestreitbar das leistungsstärkste Synthesewerkzeug der Welt freigesetzt, das es ermöglicht, die enorme Anzahl von Kombinationen zu durchsuchen, die Chemikern und Materialwissenschaftlern zur Verfügung stehen, um Materialien zu finden, die wichtig sind.”

Im Megabibliotheks-Projekt konzentrierte sich das Team auf ein großes Problem im Energiesektor. Das Problem, wie der Nanotechnologie-Pionier Mirkin feststellte, war:

“Wie finden wir ein Material, das so gut ist wie Iridium, aber reichlicher, verfügbarer und viel billiger ist? Dieses neue Werkzeug ermöglicht es uns, eine vielversprechende Alternative zu finden und sie schnell zu finden.”

Mirkin ist Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences und Professor für chemische und biologische Ingenieurwissenschaften, biomedizinische Ingenieurwissenschaften und Materialwissenschaften und -ingenieurwissenschaften an der McCormick School of Engineering.

Saubere Wasserstoffenergie ist ein kritischer Bedarf der Welt, aber sie ist durch ihre Abhängigkeit von einem der seltensten Materialien eingeschränkt, um funktionieren zu können.

“Es gibt nicht genug Iridium auf der Welt, um all unsere prognostizierten Bedürfnisse zu decken.”

– Ted Sargent, Professor für Chemie am Weinberg und Professor für Elektro- und Informationstechnik am McCormick

Sargent und Mirkin arbeiteten gemeinsam an dem Projekt.

“Wenn wir über die Spaltung von Wasser nachdenken, um alternative Energieformen zu erzeugen, gibt es nicht genug Iridium aus rein quantitativer Sicht.”

– Sargent

Die Entdeckung neuer Kandidaten, um dieses Metall zu ersetzen, war die perfekte Anwendung für das neue Werkzeug, das den traditionellen, langwierigen und mühsamen Prozess der Materialentdeckung revolutionieren kann. Im Gegensatz zur traditionellen Trial-and-Error-Methode ermöglichen die neuen Megabibliotheken die schnelle Identifizierung optimaler Zusammensetzungen.

Jede Megabibliothek wurde mit einer Gruppe von Hunderttausenden winziger, pyramidenförmiger Spitzen erstellt, um einzelne “Punkte” auf eine Oberfläche zu drucken. Jeder Punkt enthält eine sorgfältig entworfene Mischung von Metallsalzen, die, wenn sie erhitzt werden, zu einzelnen, einzigartigen Nanopartikeln reduziert werden, die jeweils eine präzise Größe und Zusammensetzung aufweisen.

Laut Mirkin:

“Man kann sich jeden Spitze als einen winzigen Menschen in einem winzigen Labor vorstellen. Anstatt einen winzigen Menschen zu haben, der eine Struktur auf einmal herstellt, hat man Millionen von Menschen. Man hat also im Grunde genommen eine ganze Armee von Forschern, die auf einem Chip eingesetzt sind.”

Insgesamt hatte der Chip 156 Millionen Partikel, die jeweils aus unterschiedlichen Kombinationen von Co, Cr, Mn und Ru bestanden. Ein Roboter-Scanner analysierte dann, wie gut sie eine Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) durchführen können.

Diese Fähigkeit, Partikel nach ihrer endgültigen Leistung zu untersuchen, ist eine wichtige Innovation.

“Erstmals konnten wir nicht nur Katalysatoren schnell untersuchen, sondern sahen auch die besten davon in einem skalierten Setting gut performen.”

– Studien-Co-Autor Joseph Montoya, Senior-Staff-Forschungswissenschaftler am TRI

Basierend auf der Bewertung wählten die Forscher 40 der besten Kandidaten aus, die von geringer bis hoher Aktivität reichten, für weitere Tests im Labor.

Die RuCoMnCr-Oxide wurden auf Milligramm-Niveau skaliert, bevor sie auf ihre katalytische Leistung hin untersucht wurden.

Am Ende ragte eine Zusammensetzung heraus. Diese präzise Kombination aller vier Metalle war: Ru52Co33Mn9Cr6-Oxid.

Das Team konnte also einen Multi-Metall-Katalysator erhalten, der bekanntermaßen aktiver ist als seine Ein-Metall-Pendants.

“Unser Katalysator hat tatsächlich eine höhere Aktivität als Iridium und eine exzellente Stabilität”, sagte Mirkin. “Das ist selten, da Ruthenium oft weniger stabil ist. Aber die anderen Elemente in der Zusammensetzung stabilisieren Ruthenium.”

Der Katalysator erzeugte eine Spannung von 1,58 V bei 1 A/cm2 und 1,77 V bei 3 A/cm2.

Bei der Langzeitleistung betrieb sich dieser neue Katalysator über 1.000 Stunden mit hoher Effizienz und bemerkenswerter Stabilität in einer aggressiven sauren Umgebung, bei einem Kostenanteil von etwa einem Sechzehntel von Iridium.

“Es gibt noch viel Arbeit zu leisten, um dies kommerziell umsetzbar zu machen, aber es ist sehr aufregend, dass wir vielversprechende Katalysatoren so schnell identifizieren können – nicht nur im Labormaßstab, sondern auch in Geräten.”

– Montoya

Im Prozess der Suche nach einem neuen Katalysator hat das Team massive, hochwertige Materialdatensätze erstellt, die den Weg für die Entwicklung der nächsten Generation von Materialien mit Hilfe von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz ebnen können.

TRI, Northwestern und sein Spin-out Mattiq haben bereits einen Algorithmus entwickelt, um die Megabibliotheken mit atemberaubender Geschwindigkeit zu durchsuchen.

Es ist jedoch erst der Anfang. Wie bei künstlicher Intelligenz kann der Megabibliotheks-Ansatz über die beschleunigte Katalysator-Entdeckung für die Energieumwandlung hinausgehen und die Materialentdeckung für fast jede Technologie revolutionieren, wie z.B. fortschrittliche optische Komponenten, biomedizinische Geräte, Batterien und mehr.

“Wir werden nach allen Arten von Materialien für Batterien, Fusion und mehr suchen”, sagte Mirkin. “Die Welt verwendet nicht die besten Materialien für ihre Bedürfnisse. Die Menschen fanden die besten Materialien zu einem bestimmten Zeitpunkt, mit den ihnen zur Verfügung stehenden Werkzeugen. Das Problem ist, dass wir jetzt eine enorme Infrastruktur aufgebaut haben, die auf diese Materialien basiert, und wir sind damit festgelegt. Wir wollen dies von Grund auf ändern. Es ist Zeit, wirklich die besten Materialien für jeden Bedarf zu finden – ohne Kompromisse.”

Investition in die Kraft von Wasserstoff

Bloom Energy Corp (BE ) ist im Bereich der stationären Brennstoffzellenkraftgenerierung tätig. Es bietet zwei Produkte kommerziell an: den Bloom-Elektrolyseur zur Wasserstoffproduktion und den Bloom Energy Server zur Stromerzeugung.

Das Unternehmen produziert Wasserstoff aus dem größten Elektrolyseur der Welt, der am NASA Ames Research Center installiert ist und etwa 25% mehr Wasserstoff pro Megawatt erzeugt als kommerzielle Elektrolyseure wie PEM oder alkalische.

Bislang hat Bloom Energy 1,5 GW Niedrigemissionskraft in über 1.200 Installationen weltweit bereitgestellt.

Bei einem Marktwert von 12,38 Milliarden Dollar werden die BE-Aktien bei 53,15 Dollar gehandelt, was einem Anstieg von 138,36% seit Jahresbeginn entspricht. Kürzlich überstiegen die Aktien des Unternehmens 55 Dollar und erreichten neue Höchststände dank des gestiegenen Interesses von Hyperscalern und Rechenzentren. Außerdem schloss das Unternehmen im Juli einen Meilenstein-Vertrag mit Oracle und deutete an, dass es in Zukunft weitere solcher Verträge abschließen wird.

Es verfügt über einen Gewinn pro Aktie (TTM) von 0,11 und einem KGV (TTM) von 495,23.