Meerwasser-Wasserstoff

WISSENSCHAFTLER haben ein System entwickelt, das grünen Wasserstoff direkt aus Meerwasser herstellen kann, ohne dass Vorbehandlungsprozesse wie Entsalzung erforderlich sind. Das Team hinter der Entwicklung, die die Einführung einer Lewis-Säure-Schicht auf einem Übergangsmetalloxid-Katalysator umfasst, sagt, dass die Methode ein hohes Potenzial für eine kommerzielle Anwendung aufweist.

Über 97 % des Wassers auf der Erdoberfläche ist Salzwasser in den Ozeanen, 2 % werden als Süßwasser in Eiskappen, Gletschern und schneebedeckten Bergketten gespeichert und nur 1 % steht für unseren täglichen Wasserbedarf zur Verfügung.

 
Salzhaltiges Wasser kann durch einen Prozess namens Entsalzung in Trinkwasser umgewandelt werden. Dabei handelt es sich um eine Technik, die in einigen Regionen der Welt zur Herstellung von Frischwasser für den menschlichen Gebrauch sowie für den häuslichen und industriellen Gebrauch eingesetzt wird. Aber die Entsalzung ist ein energieintensiver Prozess, und schlimmer noch, sie wird oft mit nicht nachhaltigen Energiequellen betrieben.

Auch die Aufspaltung von Wasser in seine Bestandteile ist gut verstanden. Der als Elektrolyse bezeichnete Prozess nutzt einen Gleichstrom zwischen zwei in einen Elektrolyten getauchten Elektroden, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. An der Kathode bzw. negativen Elektrode entsteht Wasserstoff, an der positiven Elektrode bzw. Anode Sauerstoff.

Da eine Gasmischung explodieren kann, trennen die meisten Elektrolyseure Anode und Kathode durch eine dicke, poröse Kunststofffolie und verwenden Metallkatalysatoren wie Nickel und Eisen, um die Reaktionen zu beschleunigen.

Die Kombination dieser beiden Prozesse, nämlich die Entsalzung von Meerwasser und die anschließende Aufspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff, wird seit langem als eine der besten Lösungen zur Bereitstellung sauberer und erschwinglicher Brennstoffe für Energie gepriesen, die wiederum alles von der Elektrizität einer Stadt bis hin zur Produktion antreiben könnten Stahl, zur Herstellung von Düngemitteln und sogar als Treibstoff für Flugzeuge – die Liste der Einsatzmöglichkeiten ist lang.

Einer der Gründe, warum wir bei Flügen um die Welt jedoch noch nicht Wasserstoff als Treibstoff verwenden, ist, dass Salzwasser und andere Verunreinigungen die Elektroden angreifen und ihre Lebensdauer verkürzen. Da diese Komponenten typischerweise aus seltenen Metallen wie Platin bestehen, ist es zu teuer, sie ständig auszutauschen. Chloridionen im Meerwasser stellen ebenfalls ein Problem dar und die Elektrooxidationsreaktionen von Chlor (ClOR) konkurrieren mit der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an der Anode während der Elektrolyse. Diese Reaktion führt zur Freisetzung giftiger und ätzender Chlorspezies wie Hypochlorit. Hypochlorit ist relativ instabil, kann beim Mischen mit Ammoniak oder Säure giftiges Chlorgas freisetzen und auch Edelstahl angreifen.

Um dies zu umgehen, könnte das Meerwasser vor der Aufbereitung entsalzt und gereinigt werden, doch auch dies ist finanziell nicht immer tragbar. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Elektroden mit Polyanionen zu beschichten, um Korrosion zu unterdrücken, aber auch dies kann kostspielig sein.

Nur wenige Klimalösungen kommen ohne Nachteile aus. „Grüner“ Wasserstoff, der durch die Spaltung von Wassermolekülen mit erneuerbarer Energie hergestellt wird, könnte schwere Fahrzeuge antreiben und Industrien wie die Stahlproduktion dekarbonisieren, ohne einen Hauch von Kohlendioxid auszustoßen. Da die Wasserspaltungsmaschinen oder Elektrolyseure jedoch für den Betrieb mit reinem Wasser ausgelegt sind, könnte die Ausweitung von grünem Wasserstoff die weltweite Süßwasserknappheit verschärfen. Jetzt berichten mehrere Forschungsteams über Fortschritte bei der Herstellung von Wasserstoff direkt aus Meerwasser, das zu einer unerschöpflichen Quelle für grünen Wasserstoff werden könnte.

Heutzutage wird fast der gesamte Wasserstoff durch die Spaltung von Methan und die Verbrennung fossiler Brennstoffe hergestellt, um die erforderliche Wärme und den erforderlichen Druck zu erzeugen. Bei beiden Schritten wird Kohlendioxid freigesetzt. Grüner Wasserstoff könnte diesen schmutzigen Wasserstoff ersetzen, kostet aber derzeit mehr als das Doppelte, etwa 5 Dollar pro Kilogramm. Dies ist teilweise auf die hohen Kosten von Elektrolyseuren zurückzuführen, die auf Katalysatoren aus Edelmetallen basieren. Das US-Energieministerium hat kürzlich eine jahrzehntelange Anstrengung gestartet, um Elektrolyseure zu verbessern und die Kosten für grünen Wasserstoff auf 1 US-Dollar pro Kilogramm zu senken.

Wenn ihnen das gelingt und die Produktion von grünem Wasserstoff sprunghaft ansteigt, könnte der Druck auf die Süßwasservorräte der Welt zunehmen. Um 1 Kilogramm Wasserstoff mittels Elektrolyse zu erzeugen, werden etwa 10 Kilogramm Wasser benötigt. Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien könnte der Betrieb von Lkws und Schlüsselindustrien mit grünem Wasserstoff etwa 25 Milliarden Kubikmeter Frischwasser pro Jahr erfordern, was dem Wasserverbrauch eines Landes mit 62 Millionen Einwohnern entspricht.

Meerwasser gibt es nahezu unbegrenzt, doch seine Spaltung bringt seine eigenen Probleme mit sich. Elektrolyseure sind ähnlich wie Batterien aufgebaut, mit einem Elektrodenpaar, das von einem wässrigen Elektrolyten umgeben ist. Bei einem Design spalten Katalysatoren an der Kathode Wassermoleküle in Wasserstoff- (H+) und Hydroxylionen (OH-). Überschüssige Elektronen an der Kathode verbinden Wasserstoffionenpaare zu Wasserstoffgas (H2), das aus dem Wasser sprudelt. Die OH-Ionen wandern unterdessen durch eine Membran zwischen den Elektroden und gelangen zur Anode, wo Katalysatoren den Sauerstoff zu Sauerstoffgas (O2) verknüpfen, das freigesetzt wird.

Bei Verwendung von Meerwasser wandelt derselbe Stromstoß, der an der Anode O2 erzeugt, jedoch auch die Chloridionen im Salzwasser in stark korrosives Chlorgas um, das die Elektroden und Katalysatoren angreift. Dies führt in der Regel dazu, dass Elektrolyseure innerhalb weniger Stunden ausfallen, während sie normalerweise jahrelang betrieben werden können.

Wasserstoff ist eine vielseitige Chemikalie, die zur Herstellung vieler Produkte, einschließlich Düngemitteln, verwendet wird. Wasserstoff ist auch eine Schlüsselkomponente der Brennstoffzellentechnologie, die den Strom nutzt, der von erneuerbaren, aber intermittierenden Energiequellen wie Sonne und Wind erzeugt wird. Der größte Teil des weltweit produzierten Wasserstoffs stammt aus einem Prozess, bei dem Methan Hitze und Dampf ausgesetzt wird, um Wasserstoff zu erzeugen.

Wasserstoff kann auch durch Elektrolyse von Wasser hergestellt werden, bei der Wassermoleküle mithilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Aber da ist ein Fang. Für die Elektrolyse ist sehr sauberes, entionisiertes Wasser erforderlich. Das bedeutet, dass zunächst alle Verunreinigungen, Mineralien und elektronisch geladenen Partikel entfernt werden müssen. Herkömmliche Wasserreinigungsverfahren erfordern teure Geräte und können zu Energieverlusten führen.

Forscher am Department of Environmental Health and Engineering der Johns Hopkins University haben in Zusammenarbeit mit der Penn State University einen Weg gefunden, Meerwasser als direkte Wasserstoffquelle zu nutzen, ohne dass eine vorherige Entsalzung erforderlich ist. Ihre Ergebnisse erscheinen in Environmental Science & Technology.

„Wir haben herausgefunden, dass wir Dünnschicht-Verbundmembranen, die zur Reinigung von Salzwasser verwendet werden, in Wasserelektrolyseuren verwenden können, um das Wasser in Wasserstoffgas und Sauerstoff aufzuspalten und gleichzeitig die Bildung von schädlichem Chlorgas zu vermeiden, was bei anderen Membrantypen der Fall ist.“
In ihrer Studie testeten Rossi und Kollegen Dünnschicht-Verbundmembranen direkt im Elektrolyseur – einem Gerät, das Strom nutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten und so in einem einzigen Schritt sowohl die Wasserreinigung als auch die Wasserstoffproduktion zu erreichen. Sie fanden heraus, dass die poröse Mikrostruktur des Materials nur kleinen Protonen und Hydroxidionen die Wanderung durch die Membran ermöglichte und Verunreinigungen und andere Ionen zurückwies, die unerwünschte Reaktionen hervorrufen könnten. Die Forscher sagen, dass dieser neuartige Ansatz herkömmliche Systeme ersetzen könnte, bei denen teure Ionenaustauschmembranen in Kombination mit Reinstwasserzuführungen verwendet werden.

„Billige Wasserentsalzungsmembranen können eine Alternative zu teureren Membranen auf Polymerbasis sein und für die Wasserstoffproduktion aus minderwertigen Wasserquellen wie Meerwasser verwendet werden“, sagte Rossi. „Das Ergebnis ist ein effizienter Wasserstoffproduktionsprozess aus erneuerbaren Energiequellen, der eine Wasseraufbereitung überflüssig macht.“

Er wies darauf hin, dass die Verwendung von Meerwasser in Elektrolyseuren aufgrund seines hohen Salzgehalts schwierig sei. Es ist jedoch reichlich vorhanden und an Orten wie Küstengebieten verfügbar, wo erneuerbarer Strom wie Sonne und Wind erzeugt werden kann, aber nur wenig Süßwasser zur Verfügung steht. An solchen Standorten könnten in diesem Prozess möglicherweise andere minderwertige Wasserquellen wie Abwasser anstelle von Meerwasser verwendet werden.

Das von der US National Science Foundation finanzierte Team integrierte die Wasserreinigungstechnologie in ein neues Proof-of-Concept-Design für einen Meerwasser-Elektrolyseur, der elektrischen Strom nutzt, um Wasserstoff und Sauerstoff in Wassermolekülen aufzuspalten.

Diese neue Methode zur „Meerwasserspaltung“ könnte es laut Bruce Logan, einem Umweltingenieur, einfacher machen, Wind- und Sonnenenergie in einen speicherbaren und tragbaren Kraftstoff umzuwandeln.

„Wasserstoff ist ein toller Treibstoff, aber man muss ihn herstellen“, sagte Logan. „Der einzige nachhaltige Weg, dies zu erreichen, besteht darin, erneuerbare Energie zu nutzen und sie aus Wasser zu erzeugen. Man muss auch Wasser verwenden, das die Menschen nicht für andere Zwecke verwenden wollen, und das wäre Meerwasser. Also der heilige Gral der Wasserstoffproduktion.“ würde darin bestehen, das Meerwasser mit der in Küsten- und Offshore-Umgebungen vorkommenden Wind- und Sonnenenergie zu kombinieren.“

Obwohl Meerwasser reichlich vorhanden ist, wird es nicht häufig zur Wasserspaltung genutzt. Sofern das Wasser nicht vor dem Eintritt in den Elektrolyseur entsalzt wird, ein kostspieliger zusätzlicher Schritt, verwandeln sich die Chloridionen im Meerwasser in giftiges Chlorgas, das die Ausrüstung schädigt und in die Umwelt gelangt.

Um dies zu verhindern, fügten die Forscher eine dünne, semipermeable Membran ein, die ursprünglich zur Reinigung von Wasser im Umkehrosmose-Aufbereitungsprozess entwickelt wurde. Die Umkehrosmosemembran ersetzte die üblicherweise in Elektrolyseuren verwendete Ionenaustauschmembran.
„Die Idee hinter der Umkehrosmose besteht darin, dass man sehr hohen Druck auf das Wasser ausübt, es durch die Membran drückt und die Chloridionen zurückhält“, sagte Logan.

In einer Reihe von Experimenten, die in Energy & Environmental Science veröffentlicht wurden, testeten die Forscher zwei im Handel erhältliche Umkehrosmosemembranen und zwei Kationenaustauschmembranen, eine Art Ionenaustauschmembran, die die Bewegung aller positiv geladenen Ionen im System ermöglicht.

Saubere Energie hat für Länder weltweit höchste Priorität. Während konventionelle Energie auf fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas und Öl basiert, gibt es saubere Energie in verschiedenen Formen wie Sonne, Wind, Geothermie, Wasserkraft und Biomasse.

Auch Wasserstoff ist eine führende Energiespeicheroption für erneuerbare Energien und könnte dazu beitragen, die hohen CO2-Emissionen zu reduzieren.
Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Salzwasserelektrolyse – der Prozess der Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff – eine praktikable Lösung für die allgemeinen Herausforderungen der Süßwasserelektrolyse ist. Meerwasserelektrolyse könnte nachhaltigen Wasserstoff produzieren, ohne die globale Süßwasserknappheit zu verschlimmern.

Laut dem Alternative Fuel Data Center des US-Energieministeriums ist reiner Wasserstoff ein auf der Erde reichlich vorhandenes Element, das vielversprechend für die Unterstützung des Übergangs zu sauberer, nachhaltiger und erneuerbarer Energie ist.

Nachdem Wasserstoff erzeugt wurde, kann er in einer Brennstoffzelle Strom erzeugen und gibt dabei lediglich Wasserdampf und warme Luft ab. Da Wasserstoff keine Treibhausgase, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe oder andere Partikel freisetzt, hat er keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt.
Wasserstoff hat weitere Vorteile, die zur Schaffung einer sauberen Energiewirtschaft beitragen werden. Es handelt sich um eine optimale Energielösung in Bereichen, in denen die Dekarbonisierung normalerweise schwierig ist. Es erhöht die Zuverlässigkeit und Belastbarkeit des modernen Stromnetzes. Es kann auch die öffentliche Gesundheit und den Zustand der Umwelt verbessern.

Darüber hinaus kann es die Zahl der Beschäftigungsmöglichkeiten und die Energiesicherheit in globalen Industrien erhöhen. Es kann dazu beitragen, dass die Transportbranche nachhaltiger wird und die Umstellung auf Elektrofahrzeuge (EVs) unterstützt wird. Und es kann zu höheren Einnahmen beitragen und die Weltwirtschaft stärken.

Eine Herausforderung, die die Kosten bei der Herstellung von grünem Wasserstoff in die Höhe treibt, besteht darin, dass Elektrolyseure hochreines Wasser benötigen. Dies erschwert die herkömmliche Salzwasserelektrolyse, da viele Wasserquellen mit Verunreinigungen gefüllt sind.
Obwohl die EPA aufgrund des Vorhandenseins von Blei, Chlor und Bakterien strenge Anforderungen an Wasser stellt, bedeutet dies nicht unbedingt, dass das gesamte Wasser frei von Verunreinigungen ist.

Meerwasserelektrolyse
Die Forschung zur Meerwasserelektrolyse entstand im frühen 19. Jahrhundert. Obwohl Wissenschaftler Fortschritte bei der Wasserstoffproduktion erzielten, konnte sich diese nie durchsetzen oder wurde zu einer praktikablen Energielösung. Im 20. Jahrhundert wurde Wasserstoff hauptsächlich aus Erdgas gewonnen und zum Antrieb von Autos, Bussen, Luftschiffen und Raketen verwendet.

Die Nutzung dieses Wasserstoffs war zwar machbar, seine Herstellung war jedoch energieintensiv und trug zu Kohlenstoffemissionen bei, einer der Hauptursachen des Klimawandels. Darüber hinaus filtern einige Städte feste Siedlungsabfälle mit der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie, die Wasserstoff produziert und eine durch Abfälle verursachte Kontamination der örtlichen Wasserversorgung verhindert.

Verschiedene Forscher und Wissenschaftler entwickeln mithilfe der Meerwasserelektrolyse fortschrittliche Technologien, um diese Herausforderungen zu vermeiden. Wenn diese Technologien richtig funktionieren, werden sie nachhaltigen Wasserstoff produzieren, ohne Süßwasserressourcen zu verbrauchen oder zu Kohlenstoffemissionen beizutragen.

Die Produkte werden in allen Regionen Chinas verkauft und in Länder auf der ganzen Welt exportiert. Sie wurden in mehr als 20 Ländern und Regionen verkauft, darunter in den USA, Deutschland, Marokko, Kenia, Saudi-Arabien, Vietnam, Algerien, Indien, Tansania und Taiwan. Erfolgreich beliefert namhafte Unternehmen wie China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group und andere namhafte Unternehmen. Es gibt viele Wasserstoff-Hydrierstationen für grünen Wasserstoff wie Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming usw., die grüne und wasserstofferzeugende Projekte anbieten.