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Forschern der ETH Zürich ist es gelungen, CO2 zu binden und Wasserstoff gleichzeitig in Methanol zu speichern. Hintergrund sind isolierte Metallatome als Katalysatoren.

Forscher der ETH Zürich haben CO2 aus der Luft zusammen mit Wasserstoff in grünes Methanol umgewandelt. Ein einzelnes Indiumatom diente dabei als Katalysator, um diese chemische Reaktion zu beschleunigen. Mit dieser Technologie lässt sich Wasserstoff effizient in flüssiger Form speichern und das Treibhausgas als Energieträger nutzen. Die Methode liefert zudem exakte Daten über die chemischen Abläufe während der Umwandlung.

Methanol dient der Industrie als wichtiger Rohstoff und treibt bereits erste Motoren in der Schifffahrt an. Da der Stoff bei Raumtemperatur flüssig bleibt, ist die Handhabung im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff deutlich einfacher. In dieser Form erreicht Methanol eine Energiedichte, die mit auf 700 bar komprimiertem und auf minus 200 Grad Celsius gekühltem Wasserstoff vergleichbar ist. Für eine nachhaltige Synthese muss der benötigte Wasserstoff allerdings leicht aus grünen Quellen verfügbar sein.

Forscher produzieren Methanol aus Wasserstoff und CO2

Herkömmliche Katalysatoren arbeiten meist mit Partikeln, die aus mehreren tausend Atomen bestehen. In solchen Clustern bleiben viele Atome im Inneren eingeschlossen und nehmen daher nicht aktiv an der chemischen Reaktion teil.

Die Forscher der ETH Zürich setzen stattdessen auf isolierte Einzelatome des Elements Indium. Durch diesen Aufbau senkt tatsächlich jedes einzelne Atom die nötige Reaktionsenergie auf dem Weg zum Methanol ab. Laut einer im Fachmagazin Nature Nanotechnology veröffentlichten Studie steigerte das Team die Methanolproduktion so um 70 Prozent im Verhältnis zum eingesetzten Katalysematerial.

Indium kommt in der Natur im Vergleich zu teuren Edelmetallen relativ häufig vor. Dennoch betonen die Forscher, dass die Technik vor allem ihre maximale Nutzungseffizienz erreicht. Jedes Atom hilft aktiv dabei, das Klimagas CO2 in einen flüssigen Brennstoff zu verwandeln.

Hoher Aufwand bremst industrielle Nutzung

Um die einzelnen Indiumatome exakt zu platzieren, benötigen die Wissenschaftler eine spezielle Oberfläche aus Hafniumoxid. Hafnium zählt wie Indium zu den seltenen Elementen, kommt in der Erdkruste jedoch etwa 40-mal häufiger vor.

Zur Herstellung dieser notwendigen Katalyse-Oberfläche erhitzen die Forscher das Material auf extreme Temperaturen von mindestens 2.000 Grad Celsius. Dieser Produktionsschritt macht das Verfahren derzeit noch sehr aufwendig und entsprechend kostspielig für eine breite Anwendung.

Trotz der hohen Kosten ermöglicht der technologische Fortschritt Messungen mit einer bisher unerreichten Genauigkeit direkt am aktiven Zentrum. Im Gegensatz zu früheren Methoden können Forscher nun inaktive Atome aus der Bilanz streichen, die bisher die Ergebnisse verfälschten.

Die Wissenschaftler sehen dadurch exakt, welche Atome an der Reaktion teilnehmen. Dieses neue Wissen soll dazu beitragen, die Produktion von grünem Methanol und weiteren chemischen Grundstoffen künftig zu optimieren.

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Forscher der Universität Ulm haben eine Solarbatterie entwickelt, die Energie über mehrere Tage speichern und in Form von Wasserstoff ausgeben kann. Der Hintergrund ist ein neu entwickeltes Polymer. 

Forscher der Universitäten Ulm und Jena haben ein neuartiges Material entwickelt, das die Energie des Sonnenlichts über mehrere Tage speichert und bei Bedarf als Wasserstoff abgibt. Professor Sven Rau von der Universität Ulm und Professor Ulrich S. Schubert von der Universität Jena koordinierten eine interdisziplinäre Studie.

Die Ergebnisse erschienen kürzlich im Fachjournal Nature Communications. Das System funktioniert dabei wie eine Kombination aus Solarzelle und Batterie auf molekularer Ebene. Dazu setzt das Forscherteam ein wasserlösliches, redoxaktives Copolymer als Medium für die temporäre Speicherung von Elektronen ein. Diese speziellen Makromoleküle bestehen aus unterschiedlichen organischen Bausteinen, die ein stabiles Gerüst bilden.

Die funktionellen Einheiten innerhalb dieser Struktur verleihen dem Material eine starke Redoxaktivität. Das System fängt die Energie des Sonnenlichts ein und hält diesen geladenen Zustand mehrere Tage lang stabil. Die Ladeeffizienz des neu entwickelten Materials liegt dabei bei über 80 Prozent.

Solarbatterie liefert Wasserstoff auf Knopfdruck – auch bei Dunkelheit

Wer eine Säure und einen speziellen Katalysator hinzufügt, setzt die im Polymer gespeicherten Elektronen gezielt wieder frei. In diesem chemischen Prozess kombinieren sich die Elektronen mit Protonen zu grünem Wasserstoff. Dieser Vorgang erzielt bei der On-Demand-Gewinnung einen Wirkungsgrad von etwa 72 Prozent.

Ein entscheidender Vorteil für die Flexibilität der Energienutzung ist die Unabhängigkeit vom Sonnenlicht. Da die Energie zuvor im Polymer gespeichert wurde, läuft die Wasserstoffproduktion bei Bedarf auch bei völliger Dunkelheit ab. Das System liefert den sauberen Energieträger damit genau dann, wenn industrielle Prozesse ihn anfordern.

Ein pH-Schalter ermöglicht es, das gesamte System für neue Lade- und Lagerzyklen einfach zu reaktivieren. Eine Veränderung des Säuregehalts neutralisiert die Lösung und bereitet das Material für eine erneute Belichtung vor. Die Polymer-basierten Redoxreaktionen verlaufen vollständig reversibel und erlauben mehrere Durchläufe.

Grüner Wasserstoff für die Stahlindustrie

Besonders praktisch für die technische Anwendung ist, dass das Polymer für diesen Reset nicht aufwendig isoliert werden muss. Der aktuelle Zustand der molekularen Batterie lässt sich zudem direkt mit bloßem Auge ablesen. Bei der Entladung in Gegenwart der Säure findet ein deutlicher Farbumschlag von Violett nach Gelb statt. Sobald das Licht das Material wieder belädt, kehrt die violette Farbe zurück.

Die bedarfsgerechte Wasserstoffentwicklung könnte künftig energieintensive Prozesse wie die klimaneutrale Stahlproduktion unterstützen. Solche Industriezweige sind auf eine absolut verlässliche und zeitlich flexible Versorgung mit grünem Wasserstoff angewiesen. Die Forschungsergebnisse eröffnen damit neue Perspektiven für kostengünstige und skalierbare solare Speichertechnologien.

Das Projekt stellt einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einer nachhaltigen, chemisch basierten Energiewirtschaft dar. Realisiert wurde die Arbeit im Rahmen des gemeinsamen Sonderforschungsbereichs TRR/SFB 234 „CataLight“ der Universitäten Ulm und Jena. Der Verbund widmet sich innovativen Methoden der Photokatalyse zur Herstellung von Energieträgern aus Sonnenlicht.

Förderung der Forschung bis 2026

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Netzwerk CataLight im Zeitraum bis 2026 mit über zwölf Millionen Euro. Ein zentraler Forschungsschwerpunkt liegt auf lichtgetriebenen molekularen Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien. Dies beschreibt den präzisen Aufbau des Speichermediums von der molekularen Ebene bis hin zur sichtbaren Materialstruktur.

Zu den Projektpartnern gehören neben den Universitäten Ulm und Jena auch die Universitäten in Wien und Mainz. Ebenfalls beteiligt sind das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz sowie das Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena. Die Forschenden untersuchen in diesem Verbund komplexe Synthesen und die mechanistischen Hintergründe der Energieumwandlung.

Durch die Bündelung dieser Expertisen aus der makromolekularen Chemie und der Photokatalyse entstehen neue Ansätze für die Energiewirtschaft. Die Ergebnisse der Studie unterstreichen das Potenzial, Sonnenlicht effizient einzufangen und chemisch für die Zukunft zu konservieren.

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Die geplanten neuen Gaskraftwerke werden für die Gesellschaft wohl deutlich teurer, als häufig angenommen. Allerdings spiegeln sich nicht alle Kosten direkt im Strompreis wieder, sondern werden beispielsweise über Subventionen vom Bürger getragen. (Weiter lesen)

Der Beitrag Schweizer Start-up bindet CO2 in Gestein und produziert parallel Wasserstoff erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Ein Schweizer Start-up will in einem kompakten System CO2-Emissionen aus Industrieanlagen in stabile Mineralien und grünen Wasserstoff umwandeln. Eine schlüsselfertige Einheit mit der Größe eines Schiffscontainers könnte die Kohlenstoffspeicherung vor Ort wirtschaftlicher und praktikabler machen – und gleichzeitig wertvolle Nebenprodukte liefern.

Die Bundesregierung plant in ihren Klimazielen, auch die CO2-Emissionen der Industrie bis 2030 deutlich zu senken. Mit der Einhaltung von Emissionsobergrenzen soll so das übergeordnete Ziel erreicht werden, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 65 Prozent gegenüber 1990 zu reduzieren.

Doch bis zur Erreichung der Ziele muss die deutsche Industrie zusätzliche Maßnahmen ergreifen. Denn das bisherige Tempo der Emissionsreduzierung würde nicht ausreichen, um die Lücke bis 2030 zu schließen.

Eine Möglichkeit für diese Reduktion hat das Schweizer Startup DeltaSpark mit einem Komplettsystem entwickelt, das nicht nur CO2-Emissionen reduziert, sondern diese auch gleichzeitig in feste Mineralien und sauberen Wasserstoff umwandelt.

Dieses System erzeugt grünen Wasserstoff aus CO2 – direkt vor Ort

Die Natur kann eine gewisse Menge Kohlendioxid ganz von selbst unschädlich machen. Dabei löst sich ein Teil des CO2 aus der Luft im Wasser, reagiert mit Gestein und wird dort über Jahrtausende als festes Mineral gespeichert.

Dieser natürliche Prozess läuft zwar ganz ohne Technik ab, ist aber äußerst langsam. Denn das Kohlendioxid aus der Atmosphäre löst sich im Regen- oder Meerwasser und bildet eine schwache Säure. Diese greift Gestein an, löst Mineralien heraus und bindet das CO2 schließlich in stabile, feste Verbindungen wie Kalkstein.

Dieses chemische Reaktion fungiert als natürlicher Klimaregulator, dauert allerdings Jahrtausende und kann mit dem enormen Ausstoß von CO2 auf der Erde nicht mithalten. In Zusammenarbeit mit der technischen Hochschule EPFL hat sich das Startup SeltaSpark jedoch dieses System zunutze gemacht und beschleunigt.

Das System von DeltaSpark soll als schlüsselfertige Einheit in der Größe eines Standard-Seecontainers zur Verfügung gestellt werden. Darin kann CO2 mit der Hilfe von Elektrolyse gezielt umgewandelt werden. Das Gas wird dabei in einzelne, stabile Bestandteile zerlegt, die sich mit Metallen verbinden. So entsteht aus dem klimaschädlichen Gas innerhalb kurzer Zeit ein fester Stoff, der dauerhaft gebunden bleibt.

„Wir sind die erste Lösung, die sowohl die CO2-Speicherung als auch die gleichzeitige H2-Produktion ermöglicht“, erklärt Luc Bondaz, einer der Mitgründer von DeltaSpark. Das System funktioniere dabei nahezu bei Umgebungstemperatur.

Täglich werden bis zu zwei Tonnen CO2 verarbeitet

Die modulare Bauweise des System ermögliche es den Produktionsstätten, diese direkt an der Emissionsquelle aufzustellen. Dabei könnten täglich bis zu zwei Tonnen CO2 verarbeitet werden.

Das System zerlegt Kohlendioxid in sauberen Wasserstoff und feste Mineralien, die die Anlagenbetreiber anschließend weiterverwenden können. „Die Anlagenbetreiber müssen nicht nur keine Kosten für die Kohlenstoffspeicherung tragen, sondern erhalten auch nützliche Reaktionsprodukte“, so Bondaz.

So könnten Karbonatmineralien zur Herstellung nachhaltigerer Baumaterialien verwendet werden. Der saubere Wasserstoff wiederum als potenzielle Energiequelle genutzt werden.

In einem nächsten Schritt möchte das Schweizer Startup nun einen Prototypen erstellen. Dafür soll eine erst kürzlich eingegangene Finanzierung in Höhe von 600.000 CHF zum Einsatz kommen.

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Der Beitrag Diese Länder produzieren am meisten Wasserstoff erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Wasserstoff ist einer der Hoffnungsträger für die globale Energiewende. Aber welche Länder tragen am meisten zur Produktion des Energieträgers bei? Das klären wir in diesem Ranking.

Strom ersetzt fossile Kraftstoffe bereits in einigen Industriezweigen, ist aber nicht in allen Bereichen effizient nutzbar. Hier kommt Wasserstoff ins Spiel. Der Energieträger soll unter anderem in der Schwerindustrie und im Güterverkehr genutzt werden, denn hier ist eine Elektrifizierung eher schwierig. Trotz des entstandenen Hypes, ist die globale Produktion momentan noch ernüchternd.

So viel Wasserstoff wird derzeit produziert

Momentan werden weltweit rund 180 Kilotonnen grüner Wasserstoff pro Jahr durch Elektrolyse hergestellt. Das ist viel zu wenig, um andere Kraftstoffe zu verdrängen. Eine Welle von Investitionen und Großprojekten, angetrieben von ambitionierten Klimazielen und staatlichen Subventionen, soll das aber schon bald ändern. Bis 2030 könnten bereits 14.000 Kilotonnen pro Jahr hergestellt werden.

Welche Länder auf die Technologie setzen, zeigt eine Analyse der Internationalen Energieagentur (IEA). Die Liste basiert aber nicht nur auf bereits in Betrieb befindlichen Anlagen, sondern auch auf Projekten, die sich in der finalen Umsetzungsphase befinden.

Die Europäische Union will bis 2030 zehn Millionen Tonnen erneuerbaren Wasserstoff produzieren und weitere zehn Millionen Tonnen importieren. Einige Länder investieren entsprechend. Drei der EU-Staaten haben es in die Top Ten geschafft, Spanien liegt immerhin auf dem zwölften Platz und Österreich auf Rang 14. Ebenfalls knapp gescheitert sind Kanada, Indien und Taiwan. Welche zehn Nationen an der Spitze stehen, zeigen wir im folgenden Ranking.

Platz 10: Frankreich

Den zehnten Platz belegt Frankreich mit einer geplanten Gesamtkapazität von 44,6 Kilotonnen Wasserstoff pro Jahr. Als integraler Teil der Europäischen Union profitiert das Land von den ambitionierten Zielen der EU und treibt den Bau eigener Produktionsanlagen voran, um seine Industrie klimafreundlicher zu machen.

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