Industrielle Wasserstofferzeugung mit neuem System

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Auf Grundlage protonierter Keramikmembranen

Ein internationales Team veröffentlicht am 22.04.2022 in Science ein System, das Wasserstoff fast ohne Abfall erzeugt. Das Team, an dem das Instituto de Tecnología Química (Institut für Chemische Technologie – ITQ), ein gemeinsames Zentrum des Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Spanischer Nationaler Forschungsrat) – CSIC und der Universitat Politècnica de València (Polytechnische Universität Valencia, UPV), beteiligt sind, hat einen neuen strombetriebenen Reaktor entwickelt, um Wasserstoff auf nachhaltigere und energieeffizientere Weise zu produzieren. Dem Team ist es gelungen, 36 einzelne keramische Membranen zu einem skalierbaren, modularen Generator zu kombinieren, der erstmals aus Strom und verschiedenen Brennstoffen Wasserstoff erzeugt, und zwar fast ohne Energieverlust.

Die in dieser Studie verwendeten keramischen elektrochemischen Protonenreaktoren nutzen elektrische Energie, um mit außergewöhnlicher Energieeffizienz Wasserstoff aus Ammoniak, Erdgas, Biogas oder andere wasserstoffhaltige Moleküle zu gewinnen. Im Rahmen des Projekts wurde ein elektrifizierter Reaktor auf eine Produktion von etwa einem halben Kilo Druckwasserstoff pro Tag durch Elektrokompression hochgefahren, mit einer sehr hohen Reinheit und einer maximalen Energieeffizienz von mehr als 90 %.

Die Gruppe für Energieumwandlung und -speicherung des ITQ hat gezeigt, dass es möglich ist, mit dieser Art von Technologie bei einem Druck von 150 bar zu arbeiten, was einen der wichtigsten Meilensteine dieser Arbeit darstellt. Darüber hinaus wird das im Prozess entstehende CO2 nicht in die Atmosphäre abgegeben, sondern in einen unter Druck stehenden Strom umgewandelt, der verflüssigt und zur späteren Verwendung oder Lagerung transportiert wird, was eine Dekarbonisierung ermöglicht.

Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass die Protonen-Keramik-Technologie zur Herstellung skalierbarer Wasserstoffgeräte verwendet werden kann und den Weg für eine industrielle Massenproduktion ebnet. Während andere saubere Energien wie Solar- oder Windenergie volatil sind, hat Wasserstoff den Vorteil, dass er Energie speichern und transportieren kann. „Dieses System wird es ermöglichen, Energie in Form von Molekülen mit hoher Energiedichte und Wasserstoffgehalt zu speichern und damit eine Antwort auf das Problem der Unterbrechung der erneuerbaren Energien zu geben“, sagt Sonia Remiro Buenamañana, Postdoktorandin am ITQ.

Dem Forschungsteam gehören neben dem ITQ auch Wissenschaftler und Ingenieure der Universität Oslo und des Forschungsinstituts SINTEF (Norwegen) sowie von CoorsTek Membrane Sciences, der Forschungsabteilung des Unternehmens CoorsTek, an. „Energieeffizienz ist der Schlüssel zur Zukunft des Wasserstoffs“, sagt Irene Yuste, Chemieingenieurin bei CoorsTek Membrane Sciences und Doktorandin an der Universität Oslo, Mitautorin der Studie.

Gewinnung von Wasserstoff mit maximaler Effizienz

„Wenn Energie von einer Form in eine andere umgewandelt wird, kommt es zu einem Energieverlust“, erklärt José Manuel Serra, CSIC-Forschungsprofessor am ITQ und Mitverfasser der Studie. „Mit unseren protonenbasierten keramischen Membranen können wir verschiedene Schritte der Wasserstofferzeugung in einer einzigen Stufe kombinieren, wobei die Wärme für die katalytische Wasserstofferzeugung durch elektrochemische Gastrennung zu einem thermisch ausgeglichenen Prozess bereitgestellt wird. Das Ergebnis ist Wasserstoff, der fast ohne Energieverlust hergestellt wird“, betont er.

Keramische Protonenmembranen sind elektrochemische Energiewandler, genau wie Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseure. Einer der wichtigsten Durchbrüche ist ein von CoorsTek Membrane Sciences entwickeltes neues Bauteil aus glaskeramischen und metallischen Werkstoffen, das die Hochtemperatur-Robustheit einer Keramik und die elektronische Leitfähigkeit eines Metalls vereint.

Diese Membranen arbeiten bei hohen Temperaturen zwischen 400 und 800 Grad Celsius, zerlegen Wasserstoff in seine subatomaren Teilchen (Protonen und Elektronen) und transportieren die Protonen durch einen festen keramischen Elektrolyten. „Unsere Forschungsgruppe hat eine umfassende Studie über die Geschwindigkeit der ablaufenden Reaktionen und die daran beteiligten Mechanismen durchgeführt, um die Betriebsbedingungen dieser Systeme zu verbessern“, erklärt Maria I. Valls Esteve, ITQ-Forscher.

Die Forschungsarbeit, die zur Veröffentlichung in Science führte, wurde von Technologieexperten und Finanzmitteln großer Energieunternehmen unterstützt: Shell, ExxonMobil, TotalEnergies, Equinor, ENGIE und Saudi Aramco. Das staatliche norwegische Unternehmen für Kohlenstoffabscheidung, -speicherung und -transport, Gassnova, und der norwegische Forschungsrat steuerten ebenfalls Mittel bei.

Um diese Ergebnisse zu erzielen, wurde eine so genannte offene Innovationsstrategie verfolgt, um offenes Wissen zu generieren und die Reife dieser bahnbrechenden Technologie voranzutreiben. Der nächste Schritt im Entwicklungsprogramm ist die Installation eines Prototyps eines autonomen Wasserstoffgenerators auf dem Gelände der Zentrale von Saudi Aramco in Dhahran, Saudi-Arabien.

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