Es gibt viel Wasser auf der Welt, aber nur 2,5 % davon sind frisch. Die Menschen sind fasziniert von der Idee, Wasserstoff herzustellen, indem elektrischer Strom durch Wasser geleitet wird, um es in seine Bestandteile aufzuspalten – Wasserstoff und Sauerstoff. Wenn sie an all das Wasser in den Ozeanen der Welt denken, sehen sie einen praktisch unbegrenzten Vorrat an Wasserstoff, der nur darauf wartet, aus seinen wässrigen Bindungen freigesetzt zu werden.
Bevor Meerwasser für die Verwendung in einem Elektrolyseur geeignet ist – der die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet – muss das Meerwasser leider zuerst entsalzt werden, ein Prozess, der die Umkehrosmose-Technologie verwendet. Danach muss es, bevor es in den Elektrolyseur geht, mit teuren Edelmetallkatalysatoren wie Platin und Iridium gereinigt und ionisiert werden.
Wasserstoff direkt aus Meerwasser
Forscher der University of Adelaide sagen, sie haben eine Lösung. Laut einem Bericht, der am 30. Januar in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Energie der Naturist es dem Team gelungen, Wasserstoff direkt aus Meerwasser in einem Verfahren herzustellen, das billige, reichlich vorhandene Katalysatoren wie Kobaltoxid mit Chromoxid auf seiner Oberfläche als Katalysator verwendet.
„Wir haben natürliches Meerwasser mit nahezu 100-prozentiger Effizienz in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten, um grünen Wasserstoff durch Elektrolyse herzustellen, wobei wir einen unedlen und billigen Katalysator in einem kommerziellen Elektrolyseur verwenden“, sagte Professor Shizhang Qiao, Co-Leiter des Teams Zu Engadget. Co-Leader Yao Zheng fügte hinzu: „Unsere Arbeit bietet eine Lösung zur direkten Nutzung von Meerwasser ohne Vorbehandlungssysteme und Alkalizugabe, die eine ähnliche Leistung wie die bestehenden metallbasierten Elektrolyseure für ausgereiftes Reinwasser aufweist.“
CleanTechnica Leser lesen lieber die Details solcher Forschung als blumige Pressemitteilungen, deshalb ist hier die Zusammenfassung der Studie. Der Rest steckt hinter einer Paywall.
Die Verwendung großer Mengen an hochreinem Wasser für die Wasserstoffproduktion kann die Verknappung von Süßwasserressourcen verschärfen. Meerwasser ist reichlich vorhanden, muss jedoch vor der Verwendung in typischen Elektrolyseuren mit Protonenaustauschmembran (PEM) entsalzt werden. Hier berichten wir über die direkte Elektrolyse von echtem Meerwasser, das weder alkalisiert noch angesäuert wurde und eine Langzeitstabilität von mehr als 100 h bei 500 mA cm−2 und eine ähnliche Leistung wie ein typischer PEM-Elektrolyseur erreicht, der in hochreinem Wasser betrieben wird.
Dies wird durch das Einbringen einer Lewis-Säure-Schicht (z. B. Cr2O3) auf Übergangsmetalloxid-Katalysatoren erreicht, um Wassermoleküle dynamisch zu spalten und Hydroxylanionen einzufangen. Solch vor Ort erzeugte lokale Alkalinität erleichtert die Kinetik beider Elektrodenreaktionen und vermeidet Chloridangriff und Niederschlagsbildung auf den Elektroden. Ein natürlicher Meerwasser-Durchflusselektrolyseur mit Lewis-Säure-modifizierten Elektroden (Cr2O3–CoOx) weist die industriell geforderte Stromdichte von 1,0 A cm−2 bei 1,87 V und 60 °C auf.
In einem Pressemitteilung, sagt die Universität von Adelaide, dass Meerwasser eine fast unendliche Ressource ist und als natürlicher Ausgangsmaterialelektrolyt gilt. Dies ist praktischer für Regionen mit langen Küsten und reichlich Sonnenlicht. Es ist jedoch nicht praktikabel für Regionen, in denen Meerwasser knapp ist.
Die Meerwasserelektrolyse befindet sich im Vergleich zur Reinwasserelektrolyse aufgrund von Elektrodennebenreaktionen und Korrosion, die sich aus der Komplexität der Verwendung von Meerwasser ergibt, noch in der frühen Entwicklung.
„Es ist immer notwendig, verunreinigtes Wasser auf ein Wasserreinheitsniveau für herkömmliche Elektrolyseure einschließlich Entsalzung und Entionisierung zu bringen, was die Betriebs- und Wartungskosten der Prozesse erhöht. Unsere Arbeit bietet eine Lösung zur direkten Nutzung von Meerwasser ohne Vorbehandlungssysteme und Alkalizugabe, die eine ähnliche Leistung wie die bestehenden Elektrolyseure für ausgereiftes Reinwasser auf Metallbasis aufweist“, sagte Zheng.
Das Forschungsteam wird sich nun darauf konzentrieren, das System durch die Verwendung eines größeren Elektrolyseurs zu vergrößern, damit es in kommerziellen Prozessen wie der Wasserstofferzeugung für Brennstoffzellen und der Ammoniaksynthese verwendet werden kann.
Die Dynamik des sauberen Wasserstoffs
Um es nicht zu überspitzt zu sagen, Australien verfügt über alle natürlichen Ressourcen, die erforderlich sind, um das Saudi-Arabien der sauberen Energie zu werden. Es hat genug offenes Land, das in Sonnenlicht getaucht ist, um den gesamten Planeten mit Energie zu versorgen, vorausgesetzt, es könnte effizient geerntet und verteilt werden. Es gibt kein Problem mit NIMBYism im Zentrum Australiens, wo offenes Land Hunderte von Kilometern in jede Richtung verfügbar ist. Es ist auch eine Insel – eine ziemlich große, aber dennoch eine Insel –, die auf allen Seiten vom Meer umgeben ist. Kombinieren Sie reichlich erneuerbare Energie mit unbegrenztem Meerwasser und presto! Die Welt wird zu einem Markt für Wasserstoff, der in Down Under produziert wird.
Wasserstoff ist jedoch eine knifflige Sache. Als reaktionsfreudigstes aller Elemente ist es schwierig einzudämmen und zu transportieren. Hier kommt Ammoniak ins Spiel – ein Molekül aus Wasserstoff- und Stickstoffatomen. Ammoniak kann ganz bequem und kostengünstig über bestehende Pipelines und Frachtschiffe transportiert werden. Tatsächlich kann es als „grüner“ Kraftstoff für dieselben Schiffe verwendet werden und dazu beitragen, die CO2-Emissionen der Schifffahrt zu senken, während grünes Ammoniak auf ausländische Märkte transportiert wird. Unser australischer Korrespondent, David Waterworth, schrieb 2021, dass BP in Westaustralien in der Nähe von Perth in einen grünen Ammoniak-Hub investiert.
Meine Kollegin Tina Casey schrieb letztes Jahr: „Der Traum einer Weltwirtschaft, die von erneuerbarem Wasserstoff angetrieben wird, rückt immer stärker in den Fokus, abgesehen von einem entscheidenden Knackpunkt. Der Transport von Wasserstoff von einem Ort zum anderen verursacht zusätzliche Kosten. Energieverlust ist auch ein Problem. Ein kostengünstiges, effizientes und nachhaltiges Transportmedium würde die Lücke füllen, und anscheinend steht grünes Ammoniak an erster Stelle.“
Sie berichtete auch über diesen Befund des US-Energieministeriums: „Ammoniak ist eines der wenigen Materialien, das billig produziert, effizient transportiert und direkt umgewandelt werden kann, um Wasserstoff und ein umweltfreundliches Nebenprodukt zu liefern.“
Ammoniak eignet sich nicht nur als Wasserstoffträger, sondern wird auch in großem Umfang als Düngemittel in der Landwirtschaft eingesetzt. Das Problem ist, dass etwa 95 % der Düngemittel aus Ammoniak hergestellt werden, das aus fossilen Brennstoffen – hauptsächlich Methan – gewonnen wird. „Grüne“ Düngemittel auf den Markt zu bringen, würde die globalen Kohlenstoffemissionen erheblich senken – obwohl das Problem des überschüssigen Stickstoffs, der in nahe gelegene Flüsse und Bäche fließt, immer noch Anlass zu erheblicher Sorge gibt.
Das wegnehmen
Wasserstoff aus Meerwasser ist ein Traum, der eine wichtige Rolle bei der Reduzierung der Kohlendioxidmenge spielen könnte, die jeden Tag jede Sekunde in die Atmosphäre gepumpt wird. Die Forscher der University of Adelaide versprechen bezahlbaren grünen Wasserstoff aus Sonnenlicht und Meerwasser. Dieser Wasserstoff könnte die Kohlenstoffintensität der Stahl- und Zementherstellung sowie der Landwirtschaft und Schifffahrt senken.
Wir befinden uns in einer klimatischen Notlage und brauchen alle Hilfe, die wir bekommen können, um die Temperatur der Erde zu senken. Diese Forschung könnte auf diesem Weg ein wichtiger Schritt nach vorne sein.