Eine Perowskit-Umgestaltung könnte grünen Wasserstoff ermöglichen

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Neue grüne Wasserstofftechnologie bietet die Möglichkeit, fossile Brennstoffe aus führenden Wirtschaftssektoren zu verdrängen, darunter Lebensmittelsysteme und chemische Industrie sowie Transport und Energieerzeugung. Die Herausforderung besteht darin, die Kosten zu senken, und Forschungsteams auf der ganzen Welt konzentrieren sich auf Perowskite, um die Lösung zu finden.

Grüner Wasserstoff und die Hochtemperatur-Elektrolyselösung

Die Hauptquelle der weltweiten Wasserstoffversorgung ist derzeit Erdgas, wobei Kohle einen kleineren Anteil hat. Allerdings haben kostengünstige erneuerbare Energien begonnen, das Drehbuch umzudrehen. Wind-, Solar- und andere erneuerbare Energien verbessern die finanziellen Voraussetzungen für die Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser in Elektrolysesystemen, um so genannten „grünen Wasserstoff“ zu erzeugen.

Die Kosten für grünen Wasserstoff sind zwar gesunken, liegen aber immer noch hartnäckig hoch. Üblicherweise wird der Wert von 5,00 US-Dollar pro Kilogramm für grünen Wasserstoff genannt, im Vergleich zu nur 1,50 US-Dollar für Wasserstoff aus Erdgas.

Als Teil der Lösung suchten Forscher nach einer Alternative zu herkömmlichen Niedertemperatur-PEM-Elektrolysesystemen (Proton Exchange Membrane), die im Allgemeinen bei Temperaturen unter 100 Grad Celsius arbeiten. Niedertemperatursysteme sind heute weit verbreitet, aber sie sind relativ ineffizient.

Um höhere Wirkungsgrade zu erreichen, erforschen Forscher im Bereich des grünen Wasserstoffs neue Festoxidtechnologien. Interessengruppen im Bereich Brennstoffzellen setzen die Festoxidtechnologie im Bereich der Stromerzeugung ein, und die Produktion von grünem Wasserstoff steht offenbar als nächstes für die Festoxidbehandlung an.

Die Perowskit-Verbindung

Die Suche nach einem kommerziell nutzbaren Festoxidsystem beruht auf der Entwicklung neuer, kostengünstiger Katalysatoren, die Temperaturen von 600 Grad Celsius oder mehr standhalten können, und es sieht so aus, als ob Perowskite für diese Rolle ausgewählt wurden.

Perowskite sind synthetische Versionen des Minerals Perowskit. Sie haben bereits begonnen, sich als potenzieller Game-Changer in der Solarindustrie herauszustellen, da sie versprechen, die Effizienz der Solarumwandlung zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken (viel mehr Berichterstattung finden Sie hier), und nun setzen Forscher sie ein, um die teuren Materialien zu ersetzen, die in Hochtemperaturanlagen verwendet werden -Temperaturelektrolysesysteme.

Die Ergebnisse können ziemlich dramatisch sein. Erst letzte Woche berichtete das Korea Institute of Science and Technology über einen neuen Nanokatalysator auf Perowskitbasis, der „mehr als verdoppelt [the] Wasserstoffproduktion Geschwindigkeit und wurde mehr als 400 Stunden lang bei 650 Grad ohne Zersetzung betrieben“ in einem Festoxid-Elektrolysesystem.

Das Forschungsteam veröffentlichte seine Ergebnisse letzten November im Chemical Engineering Journal. „Hochtemperatur-Festoxidzellen (SOCs) bieten eine der effizientesten und vielseitigsten Möglichkeiten zur Erzeugung von Strom und H2“, stellten sie fest.

„Der praktische Einsatz von Nanomaterialien in SOCs wurde jedoch durch ihre mangelnde thermische Stabilität eingeschränkt“, fuhren sie fort.

Die Studie umfasste die Entwicklung einer Technik, mit der „extrem kleine, thermisch stabile“ Perowskit-Nanokatalysatoren auf der Innenfläche der Elektroden wachsen und dann Verunreinigungen entfernt werden können.

Das Team berichtete außerdem, dass es den Prozess im kommerziellen Maßstab und unter vollständiger Automatisierung durchführen konnte.

„Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie werden kritische Hindernisse bei Hochtemperatur-Nanomaterialien beseitigen und die Kommerzialisierung der SOC-Technologie beschleunigen“, schlussfolgerten sie.

Produktion von grünem Wasserstoff mit Perowskiten in den USA

Perowskite sind auch bei der Produktion von grünem Wasserstoff beim US-Energieministerium aufgetaucht. Die Agentur sucht seit Anfang der 2000er Jahre nach einer Möglichkeit, überschüssigen Dampf aus Kernkraftwerken zur Herstellung von Wasserstoff zu nutzen. Tatsächlich fungiert der Wasserstoff als Speichersystem für Energie, die sonst verschwendet würde.

Es gab einige Debatten darüber, ob grüner Wasserstoff aus Kernkraftwerken technisch gesehen als grüner Wasserstoff gilt oder nicht. Im allgemeinen Sprachgebrauch bezieht sich grüner Wasserstoff typischerweise nur auf Systeme, die erneuerbare Energien nutzen. Manche sagen, dass nuklearer Wasserstoff eine eigene Farbe verdient, und aus irgendeinem Grund haben sie sich für Rosa entschieden.

Wenn Sie dazu eine Meinung haben, hinterlassen Sie uns eine Nachricht im Kommentarthread. Unabhängig von der Farbe bleibt bei der Nutzung von Kernenergie zur Erzeugung von Wasserstoff zur Energiespeicherung immer noch das Problem, wie man den Strom aus dem Wasserstoff herausholt, wenn er benötigt wird.

Ein aktueller Durchbruch gelang im Jahr 2020, als ein Forschungsteam am Idaho National Laboratory des Energieministeriums einige Verbesserungen vornahm eine protonische elektrochemische Keramikzelle (PCEC).

PCECs sind darauf ausgelegt, Wasserstoff bei Temperaturen von bis zu 800 Grad Celsius aus Dampf zu spalten, was teurere Materialien erfordert. Außerdem verschlechtern sich die Materialien schnell, wodurch der gesamte Vorgang kostenmäßig ineffektiv wird.

Das Idaho-Team unter der Leitung des leitenden Ingenieurs und Wissenschaftlers Dong Ding, ein Perowskit-Oxidmaterial geschaffen damit ihr PCEC Strom ohne die Zugabe von zusätzlichem Wasserstoff erzeugen kann. Damit schloss sich der Kreis der früheren Arbeiten des Teams, bei denen es um Verbesserungen der Wasserspaltungseffizienz von PCECs ging.

„Zuvor entwickelten Ding und seine Kollegen eine 3D-netzartige Architektur für die Elektrode, die mehr Oberfläche zur Verfügung stellte, um das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten“, erklärte das Labor. „Zusammen ermöglichten die beiden Technologien – die 3D-Netzelektrode und das neue Elektrodenmaterial – einen autarken, reversiblen Betrieb bei 400 bis 600 Grad C.“

„Wir haben die Machbarkeit eines reversiblen Betriebs des PCEC bei so niedrigen Temperaturen demonstriert, um den im Hydrolysemodus erzeugten Wasserstoff in einem autarken Betrieb ohne externe Wasserstoffversorgung in Elektrizität umzuwandeln“, fügte Ding hinzu. „Es ist ein großer Schritt für die Hochtemperaturelektrolyse.“

Wie das KIST-Team streben Ding und der Rest des Idaho-Teams die Entwicklung neuer Herstellungsprozesse im kommerziellen Maßstab an.

Grüner Wasserstoff: Die Handschuhe sind ausgezogen

Auch das Argonne National Laboratory des Energieministeriums hat die Möglichkeiten der Hochtemperaturelektrolyse vorangetrieben. Einer seiner Beiträge liegt auf dem Gebiet der Pulversynthese und bezieht sich auf die Art von Keramikmaterialien der nächsten Generation, die unter anderem in Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen.

„Eine skalierbare Pulversynthese ist für die Entwicklung kostengünstigerer und zuverlässigerer Festoxid-Elektrolysezellen unerlässlich, die zur Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne benötigt werden“, erklärt Argonne.

„Hochtemperatur-Festoxidzellen, die sauberen Wasserstoff als Brennstoff verwenden, werden zur Dekarbonisierung des Stromerzeugungssektors beitragen, der der Sektor mit den größten Kohlenstoffemissionen im globalen Weitverkehrsnetz ist“, betonen sie und fügen zur weiteren Betonung hinzu, dass das Ziel „Dekarbonisierung“ sei des Stromerzeugungssektors und der bezahlbaren Wasserstofferzeugung.“

In der neuesten Entwicklung zu diesem Thema erklärte das Idaho National Laboratory im vergangenen November außerdem: „Experten stellen sich eine Wirtschaft vor, in der kohlenstofffreier Wasserstoff als Transportkraftstoff, chemischer Vorläufer, Energiespeichermedium und Hochtemperaturwärmequelle für die Industrie dient.“ .“

Das Labor ist ein wichtiger Akteur in der Midwest Alliance for Clean Hydrogen, auch bekannt als MachH2, der Organisation, die ein Stück vom neuen regionalen Clean Hydrogen Hub-Kuchen des Energieministeriums im Wert von 8 Milliarden US-Dollar gewonnen hat. MachH2 wird die Aktivitäten zu sauberem Wasserstoff zwischen Illinois, Indiana und Michigan koordinieren.