Effiziente Wasserstoffproduktion für saubere Energie freischalten

Das stetige Wachstum der Weltbevölkerung und der Wirtschaft hat zu einem signifikanten Anstieg des Energiebedarfs geführt, von dem etwa 80 % durch fossile Brennstoffe gedeckt werden. Diese Ressourcen gehen nicht nur dramatisch zur Neige, sondern sind auch für einen erheblichen Anstieg der Treibhausgase (THG) in der Umwelt verantwortlich.

Infolgedessen liegt der Fokus zunehmend auf erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wind, Wasser, organischer Materie und der Erdwärme.

Erneuerbare Energiequellen, die aus sich selbst erneuernden natürlichen Ressourcen stammen, sind wichtig für saubere und nachhaltige Energiesysteme. Sie stehen jedoch vor zahlreichen Herausforderungen, darunter unregelmäßige Verfügbarkeit, hohe Anfangskosten, geografische Einschränkungen und großer Platzbedarf.

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

Die Rolle von Wasserstoff im Übergang zu sauberer Energie

Das leichteste Element im Universum, Wasserstoff, hat sich als vielversprechende Lösung zur Schaffung eines nachhaltigeren Energiesystems erwiesen, dank seiner Flexibilität und seiner Fähigkeit, im Verhältnis zu seinem Gewicht eine erhebliche Energiemenge zu speichern.

Es ist keine Primärquelle wie die Sonne, sondern eine Sekundärquelle, da es aus anderen Rohstoffen wie Wasser, Erdgas oder Biomasse hergestellt werden muss.

Wird Wasserstoff mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas (derzeit die gängigste Methode) produziert, ist er keine saubere Energie, da er erhebliche jährliche CO₂-Emissionen verursacht.

Wird er jedoch in einer Brennstoffzelle verwendet, erzeugt Wasserstoff nur Wasserdampf als Nebenprodukt und ist damit ein sauberer Brennstoff.

Als vielseitiger Energieträger kann Wasserstoff dazu beitragen, mehrere kritische Energieprobleme zu lösen. Er kann die Integration erneuerbarer Energien in das Stromsystem unterstützen, indem er Energie wochen- oder sogar monatelang speichert.

Wasserstoff mit niedrigen Emissionen, der mit Kern- oder erneuerbarer Energie oder mit fossilen Brennstoffen unter Nutzung von CO₂-Abscheidung erzeugt wird, kann hingegen zahlreiche Sektoren dekarbonisieren. Schwerindustrie und der Fernverkehr, bei denen die Emissionsreduktion besonders schwierig ist, können stark davon profitieren. Diese Wasserstoffproduktion spielt jedoch nach wie vor eine marginale Rolle und lag 2023 bei weniger als 1 %.

Wasserstoff kann tatsächlich aus verschiedenen Technologien gewonnen werden. Eine der effizientesten Methoden zur Erzeugung nachhaltigen Wasserstoffs ist die Wasserelektrolyse. Bei dieser energieintensiven Elektrolyse wird Strom verwendet, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Technologie ist gut entwickelt und kommerziell verfügbar, obwohl ihre geschätzte Energieeffizienz bei etwa 52 % liegt.

Ein weiterer Ansatz ist die Plasmolyse, die eine vergleichbare Energierendite wie die Elektrolyse gezeigt hat, mit dem zusätzlichen Vorteil eines geringeren Stromverbrauchs, niedrigerer Hauptkosten und kleinerer Gerätegröße. Neuere Fortschritte in der Mikrofluidik und bei Mikro‑Plasmen haben die Wasserstoffproduktion durch Wasser‑dampf‑Plasmolyse hinsichtlich Energieeffizienz attraktiv gemacht.

Weitere Möglichkeiten, Wasserstoff für die Stromerzeugung zu gewinnen, umfassen Photokatalyse, Biowasserstoff und thermochemische Prozesse.

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Obwohl die Wasserstofftechnologie vielversprechend ist, steht ihre weitverbreitete Nutzung weiterhin vor Schwierigkeiten hinsichtlich Produktionskosten, Effizienz und gesamter ökologischer Nachhaltigkeit. Angesichts des Bedarfs an saubereren Energiequellen suchen Forscher weltweit jedoch ständig nach Lösungen für diese Probleme mit neuen Materialien und besserer Technologie.

Katalysator‑Innovationen, die die Effizienz von Wasserstoff vorantreiben

Während Wasserstofftechnologien vom Konzept zur Kommerzialisierung voranschreiten, ist eine der Hauptaufgaben die Materialfrage, die diese Systeme effizient und skalierbar macht. Um dies zu bewältigen, arbeiten Wissenschaftler an verschiedenen Ansätzen.

Zum Beispiel stellte eine Studie vom Hauptsitz der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, die diesen Monat in Nature veröffentlicht wurde, einen winzigen Eisenkatalysator als Alternative zu Platin in Protonenaustauschmembran‑Brennstoffzellen (PEMFCs) vor, mit dem Potenzial, die Zukunft sauberer Energie zu verändern.

PEMFCs sind Geräte für saubere Energie, die aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugen, wobei Wasser das einzige Nebenprodukt ist. Sie sind jedoch stark von seltenem und teurem Platin als Katalysator abhängig. Um ihre breite Einführung zu unterstützen, haben die Forscher einen leistungsstarken, eisenbasierten Katalysator für diese Brennstoffzellen entwickelt.

Mit seinem cleveren „innere Aktivierung, äußerer Schutz“-Design kann der neue Katalysator hervorragende Leistungen erzielen und gleichzeitig schädliche Nebenprodukte reduzieren.

Obwohl Fe/N‑C‑Katalysatoren zu den vielversprechendsten Alternativen zu Platin‑Gruppen‑Metallkatalysatoren gehören, reichen ihre Aktivität und Haltbarkeit nicht aus, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Daher entwickelte das Team einen neuen Fe/N‑C‑Katalysator, der aus zahlreichen Nanoprotrusionen besteht, die auf 2‑D‑Kohlenstoffschichten verteilt sind, wobei einzelne Fe‑Atome in der inneren, gekrümmten Oberfläche der Nanoprotrusionen eingebettet sind.

Infolgedessen konnte der neue Katalysator eine der besten Leistungen von Platin‑Gruppen‑Metall‑freien PEMFCs erzielen und behielt nach über 300 Stunden Dauerbetrieb 86 % seiner Aktivität bei.

Eine weitere Schlüsseltechnologie zur klimaneutralen Wasserstoffproduktion mittels 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 eingesetzt, insbesondere für die saure Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER).

Die OER ist der Sauerstoff erzeugende Schritt des Wasserspaltungsprozesses, der saubere Wasserstoffenergie erzeugt, bleibt jedoch herausfordernd und ineffizient. Diese Reaktion ist am effektivsten, wenn iridiumbasierte Katalysatoren verwendet werden.

Iridium, 1803 entdeckt, kommt in der Natur nicht in reiner Form vor, wird jedoch kommerziell als Nebenprodukt der Produktion von Platin, Palladium, Nickel oder Kupfer gewonnen.

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

Das Metall wird aufgrund von Schwierigkeiten bei der Herstellung und Verarbeitung selten in reiner Form verwendet; stattdessen wird es in Form von Platinlegierungen eingesetzt.

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

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

Daher ist es nachvollziehbar, dass Wissenschaftler ständig nach neuen Metallen suchen, um Iridium zu ersetzen und so die großflächige Einführung von PEMWEs zu unterstützen. Die Entdeckung von Nicht‑Ir‑Alternativen ist jedoch nicht einfach und bleibt aufgrund des enormen Designraums langsam.

Vor einigen Monaten beschrieb eine Studie des 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.

Das Material dieser Studie ist mesoporöses einkristallines Co3O4, das mit atomar dispergiertem Iridium für die saure OER dotiert ist.

Die mesoporöse Spinellstruktur spielt eine Schlüsselrolle, da sie eine hohe Ir‑Beladung (13,8 wt %) ohne Bildung großer Iridium‑Cluster ermöglicht. Zusätzlich zum Bereitstellen von Raum für die Ir‑Beladung trägt die Architektur zur Schaffung einer stabilen Umgebung bei.

Der Katalysator behielt seine Leistung über mehr als 100 Stunden bei, mit nur 248 mV Überspannung (η₁₀).

In einer weiteren aktuellen Studie haben Forscher eine „Megalibrary“ erstellt, um die katalytische Aktivität von Millionen unterschiedlicher Nanostrukturen aus einigen wenigen Schlüsselmetallen zu untersuchen und so bei großem Umfang und hoher Geschwindigkeit nach Alternativen zu Ir‑Katalysatoren für die OER zu suchen.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie nicht‑edle Katalysatoren den Weg für erschwinglichen Wasserstoff ebnen.

Schnelle Katalysatorentdeckung mit Nanotechnologie

Die neueste Studie hat tatsächlich einen neuen Katalysator für die Wasserstoffbrennstoffproduktion gefunden, der sowohl kosten- als auch energieeffizient ist.

Veröffentlicht in diesem Monat im Journal of the American Chemical Society (JACS) wurde die Entdeckung des Katalysators mithilfe einer neuen Nanopartikel‑Megalibrary gemacht, und er erreicht oder übertrifft die Leistung von Iridium bei der Wasserstoffbrennstoffproduktion zu einem Bruchteil der Kosten.

Forscher suchen seit langem nach Alternativen zu Iridium. Was jedoch Jahrzehnte dauerte, wurde nun an einem einzigen Nachmittag mit dem leistungsstarken neuen Werkzeug entdeckt, das von Wissenschaftlern der Northwestern University entwickelt wurde.

Dieses neu erfundene Werkzeug heißt Megalibrary und ist die weltweit erste Nanomaterial‑„Datenfabrik“. Jede dieser Bibliotheken enthält Millionen unterschiedlicher Nanopartikel auf einem winzigen Chip.

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

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

1. Cobalt (CO)
2. Chromium (CR)
3. Manganese (MN)
4. Ruthenium (Ru)

Die Megalibrary wurde dann verwendet, um schnell zahlreiche Kombinationen dieser Metalle zu testen und ein neuartiges Material zu finden, dessen Leistung mit der von Iridium vergleichbar ist.

Das Team fand tatsächlich ein solches neue Material, das in Laborleistungen mit kommerziellen Iridium‑basierten Materialien vergleichbar war. In einigen Fällen übertraf die Leistung sie sogar zu einem Bruchteil der Kosten.

Diese Entdeckung könnte grünen Wasserstoff erschwinglich machen.

Zudem demonstriert das neuartige Material die Wirksamkeit des Megalibrary‑Ansatzes, der die Art und Weise verändern könnte, wie Forscher neue Materialien für verschiedene Anwendungen entdecken.

Laut dem leitenden Studienautor Chad A. Mirkin, dem Hauptinventor der Megalibrary‑Plattform, der die Megalibraries vor etwa einem Jahrzehnt im Jahr 2016 tatsächlich eingeführt hat:

„Wir haben vermutlich das weltweit leistungsstärkste Synthesewerkzeug freigesetzt, das es ermöglicht, die enorme Anzahl von Kombinationen, die Chemikern und Materialwissenschaftlern zur Verfügung stehen, zu durchsuchen, um bedeutende Materialien zu finden.“

Im Megalibrary‑Projekt lenkte das Team diese Fähigkeit auf ein großes Problem im Energiesektor. Das Problem, wie der Nanotechnologie‑Pionier Mirkin bemerkte, war:

„Wie finden wir ein Material, das so gut ist wie Iridium, aber häufiger, leichter verfügbar und deutlich günstiger? Dieses neue Werkzeug ermöglichte es uns, schnell eine vielversprechende Alternative zu finden.“

Mirkin ist Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University sowie Professor für Chemie‑ und Bioingenieurwesen, Biomedizinisches Ingenieurwesen und Materialwissenschaft und -technik an der McCormick School of Engineering.

Grüner Wasserstoff ist ein kritischer Bedarf der Welt, doch er ist durch seine Abhängigkeit von einem der seltensten Materialien eingeschränkt.

„Es gibt nicht genug Iridium in der Welt, um all unseren prognostizierten Bedarf zu decken.“

– Ted Sargent, Professor für Chemie am Weinberg und Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der McCormick

Sargent und Mirkin arbeiteten gemeinsam an dem Projekt.

„Wenn wir darüber nachdenken, Wasser zu spalten, um alternative Energieformen zu erzeugen, gibt es aus rein versorgungstechnischer Sicht nicht genug Iridium.“

– Sargent

Die Entdeckung neuer Kandidaten zum Ersatz dieses Metalls war die perfekte Anwendung für das neue Werkzeug, das den langsamen und mühsamen traditionellen Prozess der Materialentdeckung revolutionieren kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen Trial‑and‑Error‑Methode ermöglichen die neuen Megalibraries die schnelle Identifizierung optimaler Zusammensetzungen.

Jede Megalibrary wurde mit einer Gruppe von Hunderttausenden winziger, pyramidenförmiger Spitzen erstellt, um einzelne „Punkte“ auf einer Oberfläche zu drucken. Jeder Punkt enthält eine sorgfältig abgestimmte Mischung von Metallsalzen, die beim Erhitzen reduziert werden und einzelne, einzigartige Nanopartikel mit präziser Größe und Zusammensetzung bilden.

Laut Mirkin:

„Man kann sich jede Spitze als eine winzige Person in einem winzigen Labor vorstellen. Anstatt dass eine einzige winzige Person eine Struktur nach der anderen herstellt, hat man Millionen von Personen. Man hat also praktisch eine ganze Armee von Forschern, die auf einem Chip eingesetzt ist.“

Insgesamt enthielt der Chip 156 Millionen Partikel, die jeweils aus unterschiedlichen Kombinationen von Co, Cr, Mn und Ru gebildet wurden. Ein Roboterscanner analysierte anschließend, wie gut sie die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) durchführen können.

Diese Fähigkeit, Partikel auf ihre letztendliche Leistung zu prüfen, stellt eine bedeutende Innovation dar.

„Zum ersten Mal konnten wir nicht nur Katalysatoren schnell prüfen, sondern wir sahen, dass die besten in einer hochskalierten Umgebung gut funktionierten.“

– Studienmitautor Joseph Montoya, leitender Forschungswissenschaftler bei TRI

Basierend auf der Bewertung wählten die Forscher 40 leistungsstärkste Kandidaten aus, die von geringer bis hoher Aktivität reichten, für weitere Tests im Labor aus. Die RuCoMnCr‑Oxide wurden auf Milligramm‑Skala hochskaliert, bevor ihre katalytische Leistung untersucht wurde.

Am Ende fiel eine Zusammensetzung besonders auf. Diese präzise Kombination aller vier Metalle lautet: Ru52Co33Mn9Cr6‑Oxid.

So konnte das Team einen Mehrmetall‑Katalysator erhalten, der tatsächlich bekanntermaßen aktiver ist als seine einmetalligen Gegenstücke.

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

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

In Bezug auf die Langzeitleistung arbeitete dieser neue Katalysator über 1.000 Stunden hinweg mit hoher Effizienz und bemerkenswerter Stabilität in einer harten sauren Umgebung, wobei er etwa ein Sechzehntel der Kosten von Iridium verursacht.

„Es gibt noch viel zu tun, um dies kommerziell nutzbar zu machen, aber es ist sehr aufregend, dass wir vielversprechende Katalysatoren so schnell identifizieren können – nicht nur im Labormaßstab, sondern auch für Geräte.“

– Montoya

Im Prozess der Suche nach einem neuen Katalysator hat das Team massive hochwertige Materialdatensätze erstellt, die den Weg für maschinelles Lernen und KI ebnen können, um die nächste Generation neuer Materialien zu entwerfen.

TRI, Northwestern und das Spin‑off‑Unternehmen Mattiq haben bereits einen Algorithmus entwickelt, um die Megalibraries in rasantem Tempo zu durchsuchen.

Doch das ist erst der Anfang. Wie bei KI kann der Megalibrary‑Ansatz über die beschleunigte Katalysatorentdeckung für die Energiekonversion hinaus skalieren und die Materialentdeckung für nahezu jede Technologie transformieren, etwa für fortschrittliche optische Bauteile, biomedizinische Geräte, Batterien und mehr.

„Wir werden nach allen möglichen Materialien für Batterien, Fusion und mehr suchen“, sagte Mirkin. „Die Welt nutzt nicht die besten Materialien für ihre Bedürfnisse. Menschen haben zu einem bestimmten Zeitpunkt die besten Materialien gefunden, basierend auf den ihnen zur Verfügung stehenden Werkzeugen. Das Problem ist, dass wir jetzt über eine riesige Infrastruktur verfügen, die um diese Materialien herum aufgebaut ist, und wir sind an sie gebunden. Wir wollen das umkehren. Es ist Zeit, wirklich die besten Materialien für jeden Bedarf zu finden – ohne Kompromisse.“

Investieren in die Kraft des Wasserstoffs

Bloom Energy Corp (BE ) ist im Bereich stationärer Brennstoffzellenstromerzeugung tätig. Sie bietet kommerziell zwei Produkte an: den Bloom Electrolyzer zur Wasserstoffproduktion und den Bloom Energy Server zur Stromerzeugung.

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

Bisher hat Bloom Energy weltweit über 1.200 Installationen mit insgesamt 1,5 GW kohlenstoffarmer Energie umgesetzt.

Mit einer Marktkapitalisierung von 12,38 Mrd. $ handeln die BE-Aktien bei 53,15 $, ein Anstieg von 138,36 % im Jahresverlauf. Kürzlich überschritten die Aktien 55 $, dank gesteigertem Interesse von Hyperscalern und Rechenzentren. Außerdem sicherte das Unternehmen im Juli einen Meilenstein-Deal mit Oracle und deutete auf weitere solche Vereinbarungen in der Zukunft hin.

Es hat ein EPS (TTM) von 0,11 und ein KGV (TTM) von 495,23.

Was die Finanzen betrifft, meldete das Unternehmen für das am 30. Juni 2025 endende zweite Quartal einen Umsatzanstieg von 19,5 % auf 401,2 Mio. $ im Jahresvergleich. Die Bruttomarge für den Zeitraum betrug 26,7 % und die nicht‑GAAP‑Bruttomarge 28,2 %. Der Betriebsverlust lag bei 3,5 Mio. $, während das nicht‑GAAP‑Betriebsergebnis 28,6 Mio. $ betrug.

„Da die dezentrale Stromversorgung angesichts des rasanten KI‑Wachstums immer offensichtlicher wird, gab es nie eine bessere Marktnachfrage für die Bloom‑Produkte. Im Gegensatz zu Alternativen sind unsere Produkte speziell für die digitale Revolution konzipiert.“

– Gründer und CEO KR Sridhar

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu Bloom Energy Corp (BE) Aktien

Fazit

Das einfachste und am häufigsten vorkommende Element im Universum, Wasserstoff, verspricht einen Weg zu einer grüneren Zukunft. Das Element hat schließlich das Potenzial, die Intermittenz erneuerbarer Energien zu überbrücken und schwer zu dekarbonisierende Sektoren zu entkarbonisieren. Diese Verheißung erfordert jedoch Investitionen, Innovationen und Zusammenarbeit über Branchen hinweg.

Neueste Durchbrüche bei Katalysatoren und der Elektrolyse können die Effizienz der Wasserstoffproduktion steigern und damit den Übergang zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft beschleunigen.

Referenzen:

1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C., et al. Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports. Nature, 644, 668–675, veröffentlicht 13 August 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6

2. Wang, Y., Qin, Y., Liu, S., Zhao, Y., Liu, L., Zhang, D., Zhao, S., Liu, J., Wang, J., Liu, Y., Wu, H., Jia, B., Qu, X., Li, H., Qin, M. Mesoporous single-crystalline particles as robust and efficient acidic oxygen evolution catalysts. Journal of the American Chemical Society, 147(16), 13345–13355, veröffentlicht 8 April 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.4c18390

3. Huang, J., Wang, Z., Liang, J., Li, X-Y., Pietryga, J., Ye, Z., Smith, P. T., Kulaksizoglu, A., McCormick, C. R., Kim, J., Peng, B., Liu, Z., Xie, K., Torrisi, S. B., Montoya, J. H., Wu, G., Sargent, E. H., Mirkin, C. A. Accelerating the pace of oxygen evolution reaction catalyst discovery through megalibraries. Journal of the American Chemical Society, 147(34), veröffentlicht 19 August 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08326