Grüner Wasserstoff aus der Luft

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Luftfeuchtigkeit als Wasserquelle

Ein Forschungsteam um den Chemie-Ingenieur Gang Kevin Li von der University of Melbourne hat in Australien Prototypen gebaut, die Grünen Wasserstoff aus der Luft herstellen können. Einer der Prototypen wurde nur mit Sonnenenergie gespeist, der andere nur vom Wind angetrieben. Der Wirkungsgrad lag dabei deutlich über dem der bisher gängigen Elektrolyseure. Und bei der neuen Methode wird weder Süßwasser, noch mühsam und teuer aufbereitetes Salzwasser benötigt, sondern man bezieht den Wasserstoff aus der Luft. Das Verfahren wurde am 05.09.2022 open access in Nature Communications und später in zahlreichen Medien (u.a. Newsweek und Guardian) veröffentlicht.

Luftfeuchtigkeit: Kumuluswolken – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Durch Wasserspaltung mittels Erneuerbarer Energien erzeugter Grüner Wasserstoff ist der meistversprechende Energieträger für eine kohlenstoffarme Wirtschaft. Allerdings stellt die geografische Diskrepanz zwischen der Verteilung Erneuerbarer Energien und der Verfügbarkeit von Süßwasser eine große Herausforderung für die Produktion dar. Die australischen und britischen Foscher zeigen eine Methode zur direkten Wasserstofferzeugung aus der Luft, nämlich die In-situ-Aufnahme von Süßwasser aus der Atmosphäre mit Hilfe eines hygroskopischen Elektrolyten und Elektrolyse mit Sonnen- oder Windenergie bei einer Stromdichte bis zu 574 mA/cm2. Ein Prototyp einer solchen Anlage wurde 12 Tage lang mit einer stabilen Leistung bei einem faradayschen Wirkungsgrad von etwa 95 % betrieben. Dieses so genannte Direktelektrolysemodul (DAE) kann in einer knochentrockenen Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 4 % arbeiten, wodurch die Probleme der Wasserversorgung überwunden werden und Grüner Wasserstoff nachhaltig und mit minimalen Auswirkungen auf die Umwelt produziert wird. Die DAE-Module können leicht skaliert werden, um abgelegene, (halb-)trockene und verstreute Gebiete mit Wasserstoff zu versorgen.
Einführung

Wasserstoff ist die ultimative saubere Energie. Obwohl er das häufigste Element im Universum ist, kommt er auf der Erde hauptsächlich in Verbindungen wie Wasser vor. Der durch Wasserelektrolyse mit Erneuerbaren Energien erzeugte grüne Wasserstoff ist der meistversprechende Energieträger für eine kohlenstoffarme Wirtschaft. H2 kann auch als Energiespeicher für intermittierende Energien wie Sonnen-, Wind- und Gezeitenkraft genutzt werden.

Der Einsatz von Wasserelektrolyseuren ist geografisch durch die Verfügbarkeit von Süßwasser begrenzt, das jedoch ein knappes Gut sein kann. Mehr als ein Drittel der Landfläche der Erde ist trocken oder halbtrocken und beherbergt 20 % der Weltbevölkerung, wo der Zugang zu Süßwasser für das tägliche Leben äußerst schwierig ist, ganz zu schweigen von der Elektrolyse. In der Zwischenzeit hat sich die Wasserknappheit durch Umweltverschmutzung, industriellen Verbrauch und die globale Erwärmung verschärft. Die Entsalzung kann zur Erleichterung der Wasserelektrolyse in Küstengebieten eingesetzt werden, was jedoch die Kosten und die Komplexität der Wasserstofferzeugung erheblich erhöht. Andererseits herrscht in Gebieten, die reich an Erneuerbaren Energien sind, häufig ein Mangel an Wasser.

Nur wenige Untersuchungen haben versucht, die Wasserknappheit für die Elektrolyse zu lindern. Durch die direkte Aufspaltung von Salzwasser kann Wasserstoff erzeugt werden, wobei jedoch die Handhabung des Chlornebenprodukts eine große Herausforderung darstellt. Einige Protonen-/Anionenaustauschmembran-Elektrolyseure können die Anode mit Dampf mit hoher Luftfeuchtigkeit speisen; die Kathode all dieser Elektrolyseure muss jedoch in einer luftfreien Atmosphäre betrieben werden, die durch ein inertes Trägergas wie Stickstoff oder Argon gespült wird, was zu einer besonders niedrigen H2-Produktreinheit von weniger als 2 % führt. Auch die photokatalytische Wasserspaltung hat das Potenzial, Dampfeinspeisung zu nutzen, aber das größte Problem dieser Methode ist ihr geringer Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff (ca. 1 %) in realen Demonstrationen, und um es noch komplizierter zu machen, ist das Produkt eine Mischung aus H2 und O2-Gasen, die einen zusätzlichen Trennungsprozess erfordern.

Luftfeuchtigkeit kann aufgrund ihrer universellen Verfügbarkeit und natürlichen Unerschöpflichkeit direkt für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse genutzt werden kann – in der Luft befinden sich jederzeit 12,9 Billionen Tonnen Wasser, die sich in einem dynamischen Gleichgewicht mit der Wassersphäre befinden. In Anbetracht der Tatsache, dass zerfließende Materialien wie Kaliumhydroxid, Schwefelsäure und Propylenglykol Wasserdampf aus knochentrockener Luft absorbieren können, demonstrieren wir hier eine Methode zur Herstellung von hochreinem Wasserstoff durch Elektrolyse eines hygroskopischen Elektrolyten an Ort und Stelle, der der Luft ausgesetzt ist. Der Elektrolyseur arbeitet in einem weiten Bereich von bis zu 4 % relativer Luftfeuchtigkeit und produziert hochreinen Wasserstoff mit einem Farada-Wirkungsgrad von etwa 95 % an mehr als 12 aufeinanderfolgenden Tagen ohne Zufuhr von flüssigem Wasser. Ein solarbetriebener Prototyp mit fünf parallelen Elektrolyseuren wurde für den Betrieb unter freiem Himmel entwickelt, wobei eine durchschnittliche Wasserstofferzeugungsrate von 745 l H2 pro Tag erreicht wurde; ein windbetriebener Prototyp wurde ebenfalls für die H2-Produktion aus der Luft demonstriert. Diese Arbeit eröffnet einen nachhaltigen Weg zur Erzeugung von Grünem Wasserstoff ohne den Verbrauch von flüssigem Wasser.

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