Wasserstoff aus CeO2 herstellen? Einfach eine Mikrowelle für schnelle Ergebnisse verwenden

Fossile Brennstoffe schaden unserem Klima. Wie wir wissen, bewegt sich die Welt schnell in Richtung erneuerbarer, nachhaltiger, grüner Energiequellen. Auf der Suche nach klimafreundlichen Kraftstoffen hat sich Wasserstoff als potenzielle Quelle der Dekarbonisierung herauskristallisiert.

Die Technologie hat es ermöglicht, Wasserstoff mit null oder sehr geringen Treibhausgasemissionen zu produzieren. Das Interesse an Wasserstoff ist so groß, dass das US-Energieministerium nationale Ziele festgelegt hat, die jährliche Produktion von 10 Millionen metrische Tonnen bis 2030 und 50 Millionen metrische Tonnen bis 2050 zu steigern. 

Allerdings gibt es einen kritischen Engpass im Prozess. Traditionelle thermische Verfahren, die von der Oxidations‑Reduktion von Metalloxiden abhängen, erfordern extrem hohe Temperaturen. Die Temperatur kann bis zu 1500 Grad Celsius erreichen. 

Kürzlich hat ein Forscherteam der POSTECH, Pohang University of Science and Technology, Korea, einen Weg gefunden, diesen Engpass zu umgehen.

Der Prozess nutzt eine vertraute, aber bisher wenig genutzte Energiequelle: „Mikrowellen“‑Energie. Ja! Sie irren sich nicht. Es ist dieselbe Quelle, die in Haushaltsmikrowellen verwendet wird. Die Forschung trägt den Titel ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction.¹‘ 

Im folgenden Abschnitt diskutieren wir die Auswirkungen dieser Forschung. 

Eine bahnbrechende Technologie, die zentrale Einschränkungen bei der sauberen Wasserstoffproduktion mittels Mikrowellen adressiert

Das Team bestand aus interdisziplinären Forschern der POSTECH und wurde von Professor Gunsu S. Yun geleitet. Es umfasste den Doktoranden Jaemin Yoo (Abteilung Physik, Division Advanced Nuclear Engineering), Professor Hyungyu Jin und den Doktoranden Dongkyu Lee (Abteilung Maschinenbau). Als Durchbruch im Streben nach nachhaltiger Energie anerkannt, wurde die Forschung auf dem Innenvorderdeck des Journal of Materials Chemistry A präsentiert.

Die Forscher begannen mit der Annahme, dass Mikrowellen, während sie Lebensmittel effizient erhitzen, auch chemische Reaktionen antreiben können. Sie übertrugen dieses Konzept auf die Senkung der Reduktionstemperatur von Gd‑dotierter Ceria (CeO2). Gd‑dotierte Ceria (CeO2) ist ein Referenzmaterial für die Wasserstoffproduktion, und Mikrowellenenergie könnte die Reduktionstemperatur dieses Materials um über 60 % senken – auf unter 600 Grad Celsius. 

Mikrowellenenergie könnte 75 % der für die Reaktion benötigten thermischen Energie ersetzen. Dieses Ergebnis ist zu Recht ein Durchbruch für die nachhaltige Wasserstoffproduktion.

Während er erklärte, warum die Forschung und ihre Ergebnisse als revolutionär angesehen werden könnten, sagte Professor Hyungyu Jin Folgendes:

“Diese Forschung hat das Potenzial, die kommerzielle Rentabilität thermochemischer Wasserstoffproduktionstechnologien zu revolutionieren. Sie wird zudem den Weg für die Entwicklung neuer Materialien ebnen, die für mikrowellengetriebene chemische Prozesse optimiert sind.”

Professor Gunsu Yun bezeichnete die Einführung dieses neuen Mechanismus und das Überwinden der bestehenden Prozessbeschränkungen als ‘große Errungenschaften’, die nur durch die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit des Forschungsteams möglich wurden. 

Ein weiterer Durchbruch des Teams war die Schaffung von Sauerstoffvakanzstellen. Dabei handelt es sich um Materialstrukturdefekte, die die Spaltung von Wasser in Wasserstoff unterstützen. Während herkömmliche Methoden Stunden bei sehr hohen Temperaturen benötigen, zeigte das POSTECH‑Team, dass dieselben Ergebnisse in nur wenigen Minuten bei Temperaturen unter 600 °C durch den Einsatz von Mikrowellentechnologie erzielt werden können.

Während die POSTECH‑Forschung einen bedeutenden Durchbruch darstellte, gibt es weltweit viele weitere Forschungsorganisationen, die an innovativen Methoden zur sauberen Wasserstoffproduktion arbeiten. Eine der führenden Organisationen ist das National Renewable Energy Laboratory, ein nationales Labor des US‑Energieministeriums, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, betrieben von der Alliance for Sustainable Energy LLC.

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Kostengünstige Wasserstoffproduktion: Weitere Ansätze

Entwickelt in Zusammenarbeit mit Xcel Energy (XEL ), verknüpft das Wind‑zu‑Wasserstoff‑Demonstrationsprojekt (Wind2H2) des NREL Windturbinen und Photovoltaik‑Anlagen (PV) mit Elektrolyseur‑Stacks, die den erzeugten Strom durch Wasser leiten, um es in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Das Projekt ist derzeit am National Wind Technology Center in der Nähe von Boulder, Colorado, aktiv. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, die Systemeffizienz der Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Ressourcen in ausreichenden Mengen und zu Kosten zu verbessern, die mit traditionellen Energiequellen wie Kohle, Öl und Erdgas konkurrieren können.

Eine weitere Möglichkeit, sauberen Wasserstoff zu produzieren, besteht darin, Sonnenlicht direkt zu nutzen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Photovoltaik‑Industrie hat bereits hochentwickelte Mehrfachzellen‑Technologien für photoelektrochemische (PEC) Lichtsammlungssysteme entwickelt, die ausreichend Spannung erzeugen, um Wasser zu spalten, und in einer Wasser‑/Elektrolyt‑Umgebung stabil sind. Das NREL verfügt über ein solches PEC‑System, das es entwickelt hat.

Das NREL‑System kann Wasserstoff aus Sonnenlicht erzeugen, ohne die Kosten und Komplexität von Elektrolyseuren, und erreicht dabei einen Solar‑zu‑Wasserstoff‑Umwandlungswirkungsgrad von 12,4 % (unterer Heizwert) bei Nutzung des eingefangenen Lichts. Weitere Forschungen am NREL konzentrieren sich auf die Entwicklung effizienterer, kostengünstigerer Materialien und Systeme, die langlebig und korrosionsbeständig in wässrigen Umgebungen sind.

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Biologischer Wasserstoff 

Ein weiterer spannender Weg, den das NREL erforscht, befasst sich mit ‘Biologischem Wasserstoff.’ NREL‑Wissenschaftler entwickeln Vorbehandlungstechnologien, um lignozellulosehaltige Biomasse in zuckerreiche Ausgangsstoffe zu verwandeln, die direkt fermentiert werden können, um Wasserstoff, Ethanol und hochwertige Chemikalien zu produzieren.

Zusätzlich werden Anstrengungen unternommen, ein Konsortium von Clostridium zu identifizieren, das Hemicellulose direkt zu Wasserstoff fermentieren kann.

Weitere Forschungsbereiche im Bereich des biologischen Wasserstoffs umfassen Folgendes:

• Bioprospektion effizienter zellulolytischer Mikroben, wie Clostridium thermocellum, die kristalline Cellulose direkt zu Wasserstoff fermentieren können, um die Rohstoffkosten zu senken.
• Identifizierung eines modellhaften zellulolytischen Bakteriums.
• Untersuchung des Potenzials des modellhaften zellulolytischen Bakteriums für genetische Manipulationen, einschließlich Antibiotikaempfindlichkeit und einfacher genetischer Transformation.
• Entwicklung von Strategien zur Erzeugung von Mutanten, die selektiv daran gehindert werden, Abfall­säuren und Lösungsmittel zu produzieren, um die Wasserstoffausbeute zu maximieren.

Während Organisationen, Forschungsinstitute und Labore weltweit aktiv sind, sind auch private Unternehmen aktiv. 

1. Linde 

Eines der Unternehmen, das seit Jahren an der Spitze der sauberen Wasserstoffproduktion steht, ist Linde. Das Unternehmen behauptet, dass seine innovativen Technologien, einschließlich der effizienten Kompression und sicheren Betankung von Wasserstoff, kombiniert mit jahrzehntelanger Erfahrung, seine Infrastruktur unvergleichlich machen. 

Die Aktivitäten des Unternehmens, die auf die Produktion von sauberem Wasserstoff abzielen, umfassen mehrere Methoden und Strategien. Die Elektrolyse für die Produktion von grünem Wasserstoff beinhaltet beispielsweise Elektrolyseure, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden.

Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von Strom, der vollständig aus erneuerbaren Energiequellen stammt, in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Dieser Prozess findet in sogenannten Elektrolyseuren statt. Während Elektrolyseure in Größe, Kapazität und Technologie variieren, bleibt die grundlegende Chemie gleich.

Derzeit gibt es zwei Haupttechnologien der Elektrolyse: alkalische und PEM (Proton Exchange Membrane): beide, laut Linde, können vor Ort und auf Abruf Wasserstoff von hoher Reinheit erzeugen.

Alkalische Elektrolyse verwendet zwei Elektroden, die durch eine poröse Diaphragma und eine flüssige alkalische Lösung als Elektrolyt getrennt sind. Die Elektrolytlösung ermöglicht den Transport von Hydroxidionen zwischen den Elektroden, um Sauerstoff und Wasserstoff zu bilden, wobei sie während der Reaktion nicht verbraucht werden. Die Technologie könnte zuverlässig und gleichzeitig kosteneffizient sein.

Im Gegensatz dazu nutzt die PEM‑Elektrolyse reines Wasser und einen festen Polymer‑Elektrolyten anstelle einer flüssigen Lösung, um den Strom zu ermöglichen, das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Wasserstoff‑Protonen passieren die Membran und verbinden sich mit Elektronen, um auf der Kathodenseite Wasserstoffgas (H₂) zu bilden.

Linde bietet zudem effektive Carbon Capture for Use and Storage (CCUS)-Technologien für verschiedene Strategien an. Es hat innovative Lieferlösungen für die Einspeisung von Wasserstoff in bestehende Erdgasleitungen, um eine Vielzahl von Endanwendungen zu bedienen.

Linde betreibt hochentwickelte Speicheroperationen für Wasserstoff, der in unterirdischen Salzhöhlen gelagert wird. Neben seiner Erfahrung als Partner bei der Entwicklung von Energienparks betreibt Linde seit über einem Jahrzehnt die erste kommerzielle Hochreinheits‑Wasserstoffhöhle. Es verfügt zudem über jahrzehntelange Erfahrung im Bau von Wasserstoffverflüssigungsanlagen, um flüssigen Wasserstoff für einfachere Lagerung und Transport zu produzieren.

Laut den letzten verfügbaren Finanzdaten verzeichnete Linde für das am 30. September 2024 endende Quartal einen Umsatz von US$8.356 Milliarden.

2. Air Products

Ein weiteres Unternehmen, das wesentlich zum Bereich der sauberen Wasserstoffproduktion beiträgt, ist Air Products. Das Unternehmen ist der Ansicht, dass die Produktion von sauberem Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen entscheidend sein wird, um schwer zu elektrifizierende Industrieprozesse wie Stahlherstellung und chemische Verarbeitung zu dekarbonisieren.

Das Unternehmen hat bereits 15 Milliarden US‑Dollar für Projekte zugesagt, die die Produktion von kohlenstoffarmem Wasserstoff vorantreiben und die Energiewende beschleunigen. 

Die sauberen Wasserstoffanwendungen des Unternehmens umfassen die Betankung von Wasserstoff für Automobile, Busse, Gabelstapler, Schiffe, Züge und Lastwagen. Der Straßenverkehr verursacht fast 12 % der globalen Emissionen. Die Umstellung von Dieselbussen auf emissionsfreie Wasserstoff‑Brennstoffzellenbusse kann die globalen Treibhausgasemissionen reduzieren und die Luftqualität verbessern. Air Products ist ein führender Anbieter der Betankung von Wasserstoffbussen und ist an Projekten weltweit beteiligt. 

Das NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), ein Joint Venture zur Produktion von grünem Wasserstoff zwischen ACWA Power, Air Products und NEOM, errichtet die weltweit größte auf grünem Wasserstoff basierende Ammoniakproduktionsanlage, die mit erneuerbarer Energie betrieben wird. Diese Anlage wird bis zu 600 Tonnen pro Tag kohlenstofffreien Wasserstoff in Form von grünem Ammoniak produzieren, als kostengünstige Lösung für den Transport- und Industriesektor weltweit.

Der neue Net‑Zero‑Wasserstoff‑Energiekomplex von Air Products soll Edmonton, Alberta, zum Zentrum der westkanadischen Wasserstoffwirtschaft machen. Während der Bau in Edmonton voranschreitet, wird die Anbindung dieses Komplexes an das bestehende Pipeline‑Netzwerk des Unternehmens den Raffinerie‑ und Petrochemiekunden helfen, die Kohlenstoffintensität ihrer Energieprodukte zu reduzieren und ihre Nachhaltigkeitsleistung zu verbessern. Darüber hinaus wird die erstklassige Verflüssigungsanlage die Nutzung von Wasserstoff als emissionsfreien Kraftstoff im Transportwesen in Westkanada beschleunigen. 

Der Louisiana Clean Energy Complex von Air Products wird kohlenstoffarmen Wasserstoff produzieren, um Mobilitäts‑ und Industriemärkte in der Golfküstenregion und darüber hinaus zu versorgen. Die Anlage wird voraussichtlich 95 % ihrer Kohlendioxid‑Emissionen (über 5 Millionen Tonnen pro Jahr) einfangen und dauerhaft in idealen geologischen Porenräumen in Louisiana speichern. 

Dieses Projekt ist die größte US‑Investition von Air Products und wurde mit dem Ziel gebaut, dem Bundesstaat Louisiana zu helfen, seine Treibhausgasemissionen bis 2050 auf Netto‑Null zu reduzieren. 

Air Products plant außerdem, etwa 500 Millionen US‑Dollar zu investieren, um eine Anlage mit einer Kapazität von 35 metrischen Tonnen pro Tag zu bauen, zu besitzen und zu betreiben, die grünen flüssigen Wasserstoff an einem Greenfield‑Standort in Massena, New York, produziert, sowie flüssige Wasserstoff‑Vertriebs‑ und -Abgabebetriebe einzurichten. Das Projekt wird über die gesamte Lebensdauer 6 Millionen Tonnen CO₂ vermeiden. Das Projekt wird Wasserkraft vom Sankt‑Laurent‑Fluss nutzen, um die Produktion von kohlenstofffreiem flüssigem Wasserstoff zu betreiben.

Für das am 30. September 2024 endende Geschäftsjahr verzeichnete das Unternehmen einen Umsatz von über US$12 Milliarden. 

In die Zukunft mit sauberem Wasserstoff

Es gibt genügend Anreize für Unternehmen und Forschungsorganisationen, weiterhin neue Wege für eine zuverlässige und kostengünstige Wasserstoffproduktion zu entwickeln. Das US‑Energieministerium hat beispielsweise im Jahr 2023 sieben Gewinner ausgewählt, die im Rahmen des Bipartisan Infrastructure Law insgesamt 7 Milliarden US‑Dollar erhalten, um eine Reihe von „Wasserstoff‑Hubs“ in Betrieb zu nehmen. Um sich zu qualifizieren, musste jeder Hub überzeugend nachweisen, dass er mindestens 50–100 metrische Tonnen sauberen Wasserstoff pro Tag produzieren und die Treibhausgasemissionen reduzieren kann.

Die aktivsten Teilnehmer, die in den vom DOE ausgewählten Wasserstoff‑Hubs genannt wurden, umfassen unter anderem AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), und (TRP ). 

Spitzentechnologien können ebenfalls bei der Weiterentwicklung der Produktion und Verteilung von Wasserstoff eine Rolle spielen. Das NREL führt beispielsweise beschleunigte Tests und Zyklen von 700‑Bar‑Wasserstoff‑Ausgabeschläuchen im Energy Systems Integration Facility unter Einsatz von automatisierten Robotern durch, um Feldbedingungen zu simulieren. Hier imitieren die Roboter die wiederholte Belastung einer Person, die einen Schlauch biegt und dreht, um Wasserstoff in den Bordtank eines Brennstoffzellenfahrzeugs zu leiten. Forscher untersuchen mechanische, thermische und Druckbelastungseffizienzen neuer und gebrauchter Wasserstoff‑Ausgabeschläuche.

Wasserstoff erlebt einen Aufschwung, und das Momentum kann von hier aus nur weiter wachsen. Laut Organisationen, die den globalen Ausbau von Wasserstoffprojekten verfolgen, wurden im Jahr 2022 allein 680 groß angelegte Wasserstoffproduktionsprojekte angekündigt, was zu direkten Investitionen in Höhe von 240 Mrd. $ führte. invREL führt zudem regelmäßig System‑Level‑Analysen zu einer Vielzahl nachhaltiger Wasserstoffproduktions‑ und -lieferwege durch, um Verbesserungen des Status infolge von Technologie‑Fortschritten, Kosten in Abhängigkeit vom Produktionsvolumen und das Potenzial für Kostensenkungen zu ermitteln.

Zweifellos wird die Investition in Wasserstoff bis 2030, während Private‑Equity‑ und Risikokapitalfirmen im Jahr 2022 Rekordbeträge in Wasserstoffunternehmen in verschiedenen Entwicklungsstadien investierten, wobei 3,1 Mrd. $ in Private‑Equity für wasserstoffbezogene Unternehmen und 2,6 Mrd. $ in Risikokapital für 192 Start‑ups in diesem Bereich bereitgestellt wurden.

Während man über die Bedeutung dieses Momentums spricht, sagte Adria Wilson, Direktorin im US‑Policy‑&‑Advocacy‑Team von Breakthrough Energy: „Jüngste politische Erfolge bedeuten, dass erschwinglicher, sauberer Wasserstoff in den nächsten zehn Jahren, wenn nicht sogar früher, ein Dekarbonisierungsinstrument sein wird, das uns zur Verfügung steht.“

Allerdings muss man, trotz des durchweg optimistischen Ausblicks, auch bedenken, dass noch ein langer Weg vor uns liegt. Laut Angaben des World Resources Institute werden 95 % des Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen hergestellt, typischerweise über ein Verfahren, das als Dampfmethan‑Reformierung (SMR) bekannt ist, bei dem Wasser bei hohen Temperaturen zu Dampf erhitzt wird, der mit Erdgas reagiert und Wasserstoff sowie Kohlendioxid (CO₂) erzeugt. Das Verfahren bleibt stark treibhausgasintensiv und setzt pro Kilogramm Wasserstoff zwischen 10 kg CO₂‑Äquivalent und 14 kg CO₂‑Äquivalent frei – ein Betrag, der dem CO₂‑Ausstoß bei der Herstellung und Verbrennung eines Gallons Benzin entspricht.

Saubere Wasserstoffproduktionsmethoden müssten dazu beitragen, solche Verfahren zu eliminieren. Der Übergang müsste schnell, aber nachhaltig erfolgen.

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