Wasserstoff speichern – Ist ligninbasierter Jet‑Treibstoff die Antwort?

Wasserstoff funktionsfähig machen

Electrifizierung mit Batterien reicht möglicherweise nicht aus, um fossile Brennstoffe im Verkehr zu ersetzen, insbesondere im Schiffs- und Luftverkehr. Gleiches gilt für industrielle Prozesse, die sehr hohe Temperaturen erfordern. Selbst mit den jüngsten Verbesserungen der Batterietechnologie ist es schwierig, Strom zu speichern, ohne schwere oder zu große Batterien zu benötigen.

Eine seit langem in Betracht gezogene Alternative ist Wasserstoff. Da grüner Wasserstoff aus erneuerbarer Energie erzeugt werden kann, wäre er ein guter Weg, grüne Energie in einen dichten flüssigen Kraftstoff umzuwandeln.

Allerdings hinkt grüner Wasserstoff anderen grünen Lösungen aus zwei Gründen hinterher: Die Produktion von Wasserstoff ist teuer und die Speicherung von Wasserstoff ist schwierig.

Das Produktionsproblem wird aus vielen Blickwinkeln angegangen, die über die übliche Wasserelektrolyse hinausgehen, zum Beispiel künstliche Photosynthese, Mikrowelle & Ceroxid, oder nickelbasierte Elektrolyse, unter Verwendung von Metallspäne.

Die Speicherung ist ein noch kniffligeres Problem, da Wasserstoff sehr flüchtig, entflammbar und schwer zu enthalten ist, weil er das kleinste mögliche Atom ist. Deshalb ist es bedeutsam, dass Wissenschaftler möglicherweise einen Durchbruch in diesem Bereich erzielt haben.

Die Forscher der Washington State University, des Pacific Northwest National Laboratory, der University of New Haven und von Natural Resources Canada haben ihre Ergebnisse im International Journal of Hydrogen Energy veröffentlicht, unter dem Titel “In-situ-Dehydrierung von ligninbasiertem Jet‑Treibstoff: Ein neuartiger und nachhaltiger flüssiger organischer Wasserstoffträger”¹.

Wasserstoff speichern & transportieren

Wasserstoffgas ist eines der kleinsten Moleküle des Universums und besteht nur aus zwei der leichtesten Atome des Periodensystems. Infolgedessen weist es einige für einen Energieträger unerwünschte Eigenschaften auf:

• Niedrige Dichte.
• Flüchtig und entflammbar.
• Schwer zu enthalten, da es zwischen den Molekülbindungen seines Behälters entweicht.

All diese Aspekte von Wasserstoff machen dessen Speicherung und Transport teuer und technisch komplex.

Die Neigung, mit Stahl zu reagieren und ihn spröde zu machen, hilft ebenfalls nicht, da sie den Bedarf an einer speziellen Wasserstoffpipeline für den Ferntransport erfordert, anstelle des günstigeren Pipeline‑Netzwerks, das für Erdgas verwendet wird.

Eine Idee, diese Probleme zu umgehen, ist Wasserstoff in Ammoniak umzuwandeln, ein flüssiger Kraftstoff, der viel leichter zu handhaben ist. Allerdings reduziert dies die Gesamteffizienz des Prozesses. Eine Ammoniak‑Wirtschaft würde zudem eine eigene Infrastruktur von Grund auf benötigen.

Ligninbasierter Kraftstoff

Eine von den Forschern vorgeschlagene neue Alternative ist die Verwendung eines experimentellen Kraftstoffs auf Basis von Lignin, einem in Pflanzen vorkommenden organischen Polymer. Der Kraftstoff wurde im Labor von Prof. Bin Yang entwickelt und mit Kernspinresonanz (NMR) am Pacific Northwest National Laboratory analysiert.

Quelle: Washington State University

Dies wurde bereits entwickelt und es wurde nachgewiesen, dass landwirtschaftliche Pflanzenabfälle in nachhaltigen Flugkraftstoff umgewandelt werden können. Diese Kraftstoffmischung war zudem energiedichter als die auf fossilen Brennstoffen basierenden Produkte und reduzierte die Verschmutzung, indem sie die normalerweise dem Flugkraftstoff zugesetzten aromatischen Moleküle (Kohlenstoffkreisläufe) ersetzte.

Quelle: International Journal of Hydrogen Energy

Lignin‑Kraftstoff, der Wasserstoff trägt

Die neue Forschung zeigte, dass dieser ligninbasierte nachhaltige Flugkraftstoff als Wasserstoffträger verwendet werden kann, ohne energieverschwendende chemische Umwandlungen wie bei der Ammoniakproduktion zu benötigen.

Es funktioniert, indem der ligninbasierte Jet‑Treibstoff (LJF) die darin enthaltenen Wasserstoffatome (Mono‑, Di‑ und Tricyclohexylalkane) freisetzt, wenn er Platin‑Nanopartikel auf kristallinem Aluminosilikat ausgesetzt wird.

Die Forscher nannten diesen Prozess Lignin‑Jet‑Treibstoff‑basierter Flüssiger Organischer Wasserstoffträger (LJF‑HyC).

Der Teil des ligninbasierten Jet‑Treibstoffs, der Wasserstoff trägt, wurde mittels Kernspinresonanz (NMR) auf 18,5 % des Gesamtvolumens geschätzt.

„Diese neue, auf ligninbasiertem Jet‑Treibstoff beruhende Technologie könnte eine effiziente, hochdichte Wasserstoffspeicherung in einem leicht handhabbaren nachhaltigen Flugkraftstoff ermöglichen und die Notwendigkeit von Druckbehältern für Lagerung und Transport beseitigen.“

Prof. Bin Yang – Professor an der Washington State University

Nutzung bestehender Infrastruktur

Interessant an diesem Prozess ist, dass bereits eine massive Infrastruktur für den Transport von Jet‑Treibstoff und anderen ähnlichen flüssigen Kraftstoffen existiert. Daher könnte LJF anstelle der Speicherung und des Transports von reinem Wasserstoff verwendet werden, um Wasserstoff von Punkt A nach Punkt B zu transportieren.

Es könnte auch leicht zur Speicherung von Wasserstoff verwendet werden, da die Lagerung von Jet‑Treibstoff üblich und wirtschaftlich ist.

„Diese Innovation bietet vielversprechende Möglichkeiten für die Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur und wirtschaftliche Tragfähigkeit für skalierbare Produktion.

Sie könnte dazu beitragen, ein synergetisches System zu schaffen, das die Effizienz, Sicherheit und ökologischen Vorteile sowohl des nachhaltigen Flugkraftstoffs als auch der Wasserstofftechnologien verbessert.

Prof. Bin Yang – Professor an der Washington State University

Als nächstes planen die Forscher, einen KI‑gesteuerten Katalysator zu entwickeln, der die Hydrierungsreaktionen verbessert und vervollständigt, um sie effizienter und kostengünstiger zu machen.

Wasserstoffunternehmen

Plug Power (PLUG ) ist ein führendes Unternehmen im Bereich grüner Wasserstoff und konzentriert sich auf Brennstoffzellen. Bemerkenswert ist, dass seine Brennstoffzellen über 40.000 Gabelstapler antreiben und die Umsätze seit 2013 um das Achtfache gestiegen sind. Das Unternehmen ist zudem aktiv im Aufbau von Wasserstoffinfrastruktur wie Wasserstoffproduktion, Logistik, großskaliger Stromerzeugung und Lieferungen.

Quelle: Plug Power

Das Unternehmen strebt Skalierung an, um die Produktionskosten von 10 $/kg auf 4 $/kg zu senken, während die Produktion bis 2027 um das 14‑fache gesteigert werden soll.

Quelle: Plug Power

Aufgrund massiver Investitionen zur Erhöhung der Produktionskapazität um das 19‑fache seit 2020 ist das Unternehmen noch nicht profitabel. Dies führte dazu, dass der Umsatz von Anfang bis Ende 2023 fast verdoppelt wurde. Der Großteil des aktuellen und prognostizierten Geschäfts wird voraussichtlich aus Nordamerika stammen.

Das Unternehmen betrachtet seine Lösungen entweder als direkten Mobilitätskraftstoff oder als Ergänzung zu Elektrofahrzeugen, da Wasserstoff den Druck auf das Netz durch das Spitzenladen von E‑Fahrzeugen reduzieren kann, das nicht mit den Tageszeiten der erneuerbaren Energieerzeugung übereinstimmt.

Quelle: Plug Power

Als großer Brennstoffzellenhersteller würde Plug Power stark von einer Hinwendung zu einer wasserstoffbasierten Wirtschaft profitieren. Das Auftauchen eines günstigen und sicheren Wasserstoffträgers würde die Wirtschaftlichkeit der Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle grundlegend verbessern.

Damit ist Plug Power eine gute Aktie, um auf eine generelle Hinwendung zu Wasserstoff zu setzen, da die Nachfrage nach seinen Brennstoffzellen jedes Mal steigt, wenn eine günstigere Methode zur Produktion, Speicherung oder zum Transport von Wasserstoff erfunden wird.

Studienreferenz:

^{1. Andrew S. Lipton et al. (2025) In-situ-Dehydrierung von ligninbasiertem Jet‑Treibstoff: Ein neuartiger und nachhaltiger flüssiger organischer Wasserstoffträger. International Journal of Hydrogen Energy Volume 98, 13 Januar 2025, Pages 1275-1282}