Der Beitrag Wasserstoff aus Methanol: Zufallsfund macht Edelmetalle überflüssig erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Doch die Herstellung ist oft teuer und abhängig von seltenen Edelmetallen. Forscher der Kyushu University und der Universität Osaka haben jetzt ein Verfahren vorgestellt, das nur Eisenionen und UV-Licht benötigt, um Methanol in Wasserstoff zu spalten.

Die Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Quellen stößt an ihre Grenzen, da sie dem Ziel der Klimaneutralität widerspricht. Alternativen wie die Spaltung von Alkoholen gelten als vielversprechend, scheitern aber oft an den hohen Kosten der benötigten Katalysatoren.

Diese basieren meist auf seltenen Edelmetallen wie Ruthenium oder Iridium und erfordern teure organische Ligandenstrukturen. Ein Team der Kyushu University und der Universität Osaka hat nun einen Weg gefunden, der auf dem häufigsten Übergangsmetall der Erde beruht: Eisen.

Takahiro Matsumoto, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Kyushu-Universität, der die Studie leitete, dazu:

Unsere Forschungsgruppe beschäftigt sich schon seit Langem mit der Entwicklung von Katalysatoren aus reichlich vorhandenen und kostengünstigen Elementen. Dieses Mal haben wir unseren Fokus auf Nachhaltigkeit gerichtet und die Eignung gängiger Metalle als Katalysatoren für die Erzeugung von Wasserstoff untersucht.

Zufallsfund im Labor führt zu neuem Wasserstoff-Verfahren

Ein Zufall im Labor brachte die Forscher auf die Spur. Während sie eigentlich Eisenkomplexe untersuchten, stellten sie fest, dass bereits ein freies Eisenion in Kombination mit UV-Licht ausreicht, um Methanol zu spalten. Das Verfahren verzichtet vollständig auf Liganden, die sonst zur Stabilisierung der Metallzentren notwendig sind.

Der Prozess läuft dabei in einer klaren Lösung ab, ohne dass sich messbare Partikel bilden – es handelt sich also um ein homogenes System. Neben Wasserstoff entstehen dabei zwei flüssige Nebenprodukte: Formaldehyd und Ameisensäure. Die Analyse ergab, dass beide Verbindungen in fast identischen Mengen gebildet werden.

So funktioniert das Verfahren bei Raumtemperatur

Ein wesentlicher praktischer Vorteil des neuen Verfahrens liegt in den Betriebsbedingungen. Während vergleichbare Systeme mit Edelmetallkomplexen oft Temperaturen von über 90 Grad Celsius benötigen, funktioniert das eisenbasierte System bereits bei Raumtemperatur.

UV-Licht im Bereich von 250 bis 385 Nanometern treibt die Reaktion an. Schaltet man die Lichtquelle ab, stoppt die Wasserstoffproduktion sofort. Das Licht liefert also nicht nur den Startimpuls, sondern versorgt den Prozess kontinuierlich mit Energie.

Für eine effiziente Umsetzung ist die Zugabe von Natronlauge zwingend erforderlich. Sie fungiert als chemischer Türöffner: Die Lauge bereitet das Methanol so vor, dass das Eisen es besser binden kann. Auch Sauerstoff aus der Luft spielt eine entscheidende Rolle.

Wasserstoff aus Methanol

In einer sauerstofffreien Umgebung findet keine Wasserstoffbildung statt. Die Kinetik der Reaktion folgt einem Gleichgewicht, bei dem die Lauge die Verbindung des Methanols mit dem Eisenion optimiert. Der genaue Mechanismus, wie der Sauerstoff an der Reaktion beteiligt ist, muss jedoch noch weiter erforscht werden.

Die Leistungsfähigkeit des Systems ist im Vergleich zu anderen Methoden gemischt. Die Quantenausbeute liegt bei 5,9 Prozent, gemessen unter einer spezifischen 365-Nanometer-LED-Lichtquelle. Das liegt deutlich unter den 90,8 Prozent, die bei Platin-Titandioxid-Katalysatoren erreicht werden.

Gravierend fällt der Leistungsabfall in wässrigen Lösungen aus. In einem Gemisch aus Methanol und Wasser erreicht das System nur noch ein Hundertstel der Ausbeute, die in reinem Methanol möglich ist. Für den Einsatz in wasserhaltiger Biomasse ist das Verfahren damit derzeit praktisch bedeutungslos.

Was das Verfahren für die Wasserstoff-Industrie bedeutet

Trotz der Einschränkungen bei der Quantenausbeute und im Wasser bietet das Verfahren neue Perspektiven. Die Verwendung von Eisenchlorid als Katalysator ist extrem kostengünstig und vermeidet die Abhängigkeit von seltenen Rohstoffen.

Die Stabilität des Systems ermöglicht einen Dauerbetrieb von mindestens 72 Stunden und eine Wiederverwendung des Katalysators ohne nennenswerten Aktivitätsverlust. Dass der Ansatz auch außerhalb des Reagenzglases funktioniert, zeigt ein erster Vergrößerungsversuch: In einem 50-Milliliter-Kolben erzeugte das System nach 15 Stunden über 1,5 Milliliter Wasserstoffgas.

Die Autoren der Studie, veröffentlicht im Journal Communications Chemistry, sehen noch Klärungsbedarf. Der genaue Reaktionsmechanismus ist noch nicht vollständig verstanden. Zudem muss die Effizienz in wässrigen Umgebungen steigen, um das Verfahren für die Nutzung von Biomasse praktikabel zu machen. Laut den Forschern könnte die Weiterentwicklung des Systems langfristig dazu beitragen, die Kosten für die Wasserstoffproduktion zu senken.

Auch interessant: 

• E20: Was du über den neuen Bio-Sprit wissen musst
• Batterie-Technologien im Vergleich: Lithium, Natrium, Festkörper und Redox Flow
• Warum Elektroautos in China günstiger sind als in Deutschland
• Elektroauto: Was passiert, wenn die Batterie leer ist?

Der Beitrag Wasserstoff aus Methanol: Zufallsfund macht Edelmetalle überflüssig erschien zuerst auf BASIC thinking. Folge uns auch auf Google News und Flipboard oder abonniere unseren Newsletter UPDATE.

Der Beitrag Cambridge-Forscher gewinnen Wasserstoff aus Batteriesäure und Plastik erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Nur 18 Prozent des weltweiten Plastikmülls werden recycelt. Der Rest belastet Ökosysteme. Ein Forscherteam der Universität Cambridge hat nun ein Verfahren vorgestellt, das Kunststoffreste mithilfe von Sonnenlicht und alter Batteriesäure in Wasserstoff und wertvolle Chemikalien zerlegt.

Die weltweite Produktion von Plastik steigt rasant an. Im Jahr 2023 erreichte sie über 400.000.000 Tonnen. Bisher werden jedoch nur 18 Prozent des Abfalls recycelt. Große Müllberge belasten daher weltweit die Ökosysteme.

Chemische Verfahren wie das Photoreforming versprechen einen Ausweg. Dabei spaltet Lichtenergie Kunststoffe wie PET, Nylon oder Polyurethan in Wasserstoff und Chemikalien auf. Ein Team der Universität Cambridge veröffentlichte nun eine neue Methode in der Fachzeitschrift Joule.

Schwefelsäure aus alten Autobatterien

Die notwendige Säure stammt aus verbrauchten Blei-Säure-Autobatterien. Diese Batterien fallen weltweit als Abfall an und enthalten große Mengen Schwefelsäure. Die Forscher nutzen diese, um Plastik in seine Einzelteile zu zerlegen.

Der Prozess benötigt keine neuen Chemikalien, da die Säure als Katalysator dient. Sie wird bei der Reaktion nicht verbraucht. So lassen sich zwei verschiedene Abfallprobleme gleichzeitig angehen.

Für die Versuche nutzten die Wissenschaftler auch PET-Flaschen aus lokalen Cafés. Diese wurden jedoch nicht einfach in den Reaktor gegeben. Zuerst zerkleinerten die Forscher das Material in kleine Stücke.

Anschließend froren sie die Reste mit flüssigem Stickstoff ein und mahlten sie in einer Kaffeemühle zu Pulver. Erst in dieser feinen Form konnten die Kunststoffreste effizient mit der Säure reagieren. Bei diesem Schritt fallen 75 Prozent der enthaltenen Terephthalsäure als Feststoff an. Hauptautor Kay Kwarteng, Doktorand in der Forschungsgruppe, die den Photokatalysator entwickelt hat, dazu:

Säuren werden schon seit langem zum Abbau von Kunststoffen eingesetzt, aber wir hatten bisher keinen kostengünstigen und skalierbaren Photokatalysator, der diesen Säuren standhalten konnte. Sobald wir dieses Problem gelöst hatten, wurden die Vorteile dieser Art von System offensichtlich.

So viel Wasserstoff liefern Nylon und Polyurethan

Der Katalysator verarbeitet auch Nylon 66 und Polyurethan. Das Bauteil besteht aus Kohlenstoffnitrid und Molybdändisulfid. Fachleute bezeichnen es als ^CoMoS₂-CN_x. Der Katalysator arbeitet wie eine kleine Solaranlage auf molekularer Ebene.

Nylon 66 lieferte in den Tests 1,0 Millimol Wasserstoff pro Gramm Katalysator. Als Oxidationsprodukt kann dabei Pentansäure entstehen. Bei Polyurethan lag der Wasserstoffwert sogar bei 4,2 Millimol.

Die Effizienz der Lichtnutzung betrug bei zermahlten PET-Flaschen 9,0 Prozent. Das ist einer der höchsten jemals gemessenen Werte für diesen Prozess. In Langzeitversuchen blieb die Anlage über elf Tage stabil.

Dabei entstand neben Wasserstoff vor allem Essigsäure. Die Selektivität für dieses Produkt lag bei 89 Prozent. Die Forscher führen dies auf eine sogenannte 1,2-Hydridverschiebung am Katalysator zurück.

Kann sich das Verfahren wirtschaftlich lohnen?

Eine wirtschaftliche Analyse verglich verschiedene Betriebsweisen. Am besten schnitt eine Kombination aus Solarzellen und LEDs ab. Diese erlauben einen Betrieb rund um die Uhr bei gleichbleibender Lichtqualität.

Durch den Verkauf von Terephthalsäure und Essigsäure könnte das Verfahren Profit abwerfen. Die Kosten für den Wasserstoff wären dann rechnerisch negativ. Allerdings fehlen in dieser Kalkulation noch die Kosten für die Trennung der chemischen Stoffe.

Die Integration in bestehende Rückgewinnungstechnologien ist daher für die Praxis entscheidend. Nur so lässt sich das Verfahren im industriellen Maßstab einsetzen. Zukünftige Arbeiten sollen nun spezielle Reaktoren für diesen Prozess untersuchen.

Auch interessant:

• Balkonkraftwerk ab 200 Euro: So schnell rechnet sich die Investition
• Einfach erklärt: Wie funktioniert eigentlich ein Windrad?
• E20: Was du über den neuen Bio-Sprit wissen musst
• Pseudo-Lärm und Infraschall: Keine Belege für Windrad-Mythen

Der Beitrag Cambridge-Forscher gewinnen Wasserstoff aus Batteriesäure und Plastik erschien zuerst auf BASIC thinking. Folge uns auch auf Google News und Flipboard oder abonniere unseren Newsletter UPDATE.

Unsere Podcast-Folge steht im Zeichen der Klimafreundlichkeit: Es geht um ein Spin-off, das Wasserstoff anders herstellen will, und   Startups, die neue Chemikalien entwickeln.weiterlesen auf t3n.de

Ein Photoreaktor des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) kann Wasserstoff weitgehend ohne Strom herstellen. Er soll sich preiswert und in großer Stückzahl produzieren lassen.weiterlesen auf t3n.de

Der Beitrag Ohne Strom: Solarpanel erzeugt Wasserstoff nur aus Sonne und Wasser erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Grüner Wasserstoff ist bisher teuer und an Stromnetze gebunden. Ein Karlsruher Forscherteam will das ändern. Die KIT-Ausgründung photreon hat ein Solarpanel entwickelt, das Wasser allein mit Sonnenlicht spaltet und dabei komplett auf Elektrolyseure verzichtet. Ein erster Prototyp läuft bereits. 

Grüner Wasserstoff gilt als Schlüssel für die klimafreundliche Transformation von Industrie und Energiesystemen. Bisher ist die Herstellung jedoch oft teuer, komplex und an feste Netzinfrastrukturen gebunden. Das Ausgründungsprojekt photreon vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) möchte diese Abhängigkeiten auflösen.

Die Forscher haben spezielle Photoreaktorpanels entwickelt, die Wasserstoff allein aus Sonnenlicht und Wasser produzieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden benötigt das System laut KIT keine Elektrolyseure und verbraucht keine externe elektrische Energie.

Photoreaktorpanel wandelt Sonnenlicht direkt in Wasserstoff um

Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT dazu: „Wir überspringen den Umweg über stromgebundene Elektrolyse und produzieren chemische Energie aus Sonne und Wasser“.

Hinter der Technik steckt das Prinzip der Photokatalyse, bei der Licht direkt eine chemische Reaktion auslöst, statt zunächst Strom zu erzeugen. Speziell entwickelte, lichtaktive Materialien nehmen die Energie der Sonnenstrahlung auf. Dabei versetzt das Licht Elektronen unmittelbar in einen hochenergetischen, angeregten Zustand.

Diese Ladungsträger treiben aktiv die Spaltung von Wasser (H₂O) in Wasserstoff und Sauerstoff an. Laut Mitgründerin Maren Cordts ersetzt das Panel die Photovoltaik und den Elektrolyseur in einem einzigen Prozessschritt. Dieser integrierte Ansatz soll die Systemkomplexität und die Kosten für grünen Wasserstoff deutlich senken.

Patentierte Reaktorgeometrie für grünen Wasserstoff

Das Projekt nutzt ein vom KIT zum Patent angemeldetes Design der Reaktorgeometrie. Die Geometrie sorgt dafür, dass das Licht den Photokatalysator effizient erreicht und die chemische Reaktion antreibt. Erst durch diese Führung kann die chemische Wasserspaltung effizient vollzogen werden.

Für eine hohe Effizienz müssen Lichttransport, Reaktion und der Abtransport der Produkte perfekt ineinandergreifen. Die Forscher legten die Geometrie des Reaktors exakt auf diese Anforderungen aus. Ein Prototyp bewies die erfolgreiche Wasserstoffproduktion bereits im Ein-Quadratmeter-Maßstab.

Die Panels bestehen aus kostengünstigen Materialien, um eine spätere Massenproduktion zu ermöglichen. Dank des modularen Ansatzes lassen sie sich zu größeren Flächen verschalten. So könnten künftig sowohl kleine Dachanlagen als auch riesige Wasserstoffsolarparks entstehen.

Für welche Branchen sich eine dezentrale Produktion lohnt

Viele Unternehmen scheiterten bisher oft an den hohen Kosten oder der komplizierten Logistik bei der Wasserstoffversorgung. Firmen aus der Spezialchemie, der Lebensmittelindustrie oder der Metallverarbeitung könnten ihren Bedarf mit der neuen Technik künftig direkt am eigenen Fabrikstandort decken.

Maren Cordts vom IMVT dazu: „Gerade dort, wo weder Stromnetze noch eine Anbindung an ein Wasserstoffnetz vorhanden sind, eröffnet unsere Technologie neue Spielräume für die lokale Erzeugung.“ Laut den Entwicklern von photreon wäre zudem eine industrielle Erzeugung in sonnenreichen Regionen für den internationalen Markt denkbar.

Auch interessant:

• Einfach erklärt: Wie funktioniert eigentlich ein Windrad?
• E20: Was du über den neuen Bio-Sprit wissen musst
• Pseudo-Lärm und Infraschall: Keine Belege für Windrad-Mythen
• Elektroauto gebraucht kaufen: Darauf solltest du achten

Der Beitrag Ohne Strom: Solarpanel erzeugt Wasserstoff nur aus Sonne und Wasser erschien zuerst auf BASIC thinking. Folge uns auch auf Google News und Flipboard oder abonniere unseren Newsletter UPDATE.

Der Beitrag Wasserstoff-Faktencheck: Wo sich der Einsatz lohnt – und wo nicht erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Die öffentliche Wasserstoff-Debatte weckt oft enorme Erwartungen. Doch die technologische und wirtschaftliche Realität hinkt den politischen Ambitionen hinterher. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) hat in einem Meta-Faktencheck über 100 Quellen ausgewertet, um Klarheit zu schaffen. Das Papier liefert damit eine sachliche Basis für die hitzige Debatte.

Experten bezeichnen Wasserstoff aufgrund seiner Kostbarkeit und des hohen Produktionsaufwands häufig als „Champagner unter den Energieträgern“. Die Fraunhofer-Studie empfiehlt deshalb einen gezielten Einsatz dort, wo keine effizienteren Alternativen existieren. Stadtplaner und Behörden planen für den Pkw-Bereich oder den Gebäudesektor überwiegend keinen flächendeckenden Infrastrukturausbau. Dort erweist sich die direkte Elektrifizierung meist als effizienter und kostengünstiger.

Wasserstoff im Faktencheck

Die Stahlindustrie dient laut Fraunhofer ISI als zentrale Leitanwendung für den Markthochlauf. Hersteller testen bereits in Pilotanlagen die wasserstoffbasierte Direktreduktion von Eisen. Für die Produktion von einer Tonne Stahl benötigt man dabei etwa 47 bis 68 Kilogramm Wasserstoff. Die International Energy Agency (IEA) rechnet ab Mitte der 2030er Jahre mit einem großtechnischen Einsatz dieses Verfahrens.

Ohne gewaltige Mengen an zusätzlichem Ökostrom lässt sich der industrielle Wandel jedoch kaum realisieren. Allein Deutschland müsste bis zum Jahr 2030 etwa 160 Terawattstunden mehr Grünstrom bereitstellen. Ohne diese Kapazitäten lässt sich Wasserstoff nicht vollständig regenerativ produzieren. Es besteht damit eine deutliche Diskrepanz zwischen den ambitionierten Ausbauzielen und der aktuellen Verfügbarkeit.

Was kostet grüner Wasserstoff – und woher kommt er?

Derzeit bleibt grüner Wasserstoff teuer und kostet voraussichtlich bis 2030 mindestens doppelt so viel wie Erdgas. Doch technologische Lernkurven könnten die Preise künftig drücken. Die IEA erwartet beispielsweise, dass die Kosten für die Herstellung aus erneuerbarem Strom bis zum Jahr 2030 um rund 30 Prozent sinken könnten.

Heimische Quellen werden den deutschen Bedarf laut Experten aber kaum allein decken können. Schätzungen gehen davon aus, dass internationale Partnerschaften langfristig bis zu 80 Prozent des Bedarfs liefern müssten. Experten beziffern den Importanteil für das Jahr 2030 auf bis zu 74 Prozent. Das erfordert den Aufbau robuster und geopolitisch resilienter Lieferketten.

9.040 Kilometer Pipeline: So entsteht das Wasserstoff-Netz

Ein spezialisiertes Pipelinenetz soll das Rückgrat der künftigen Wasserstoffwirtschaft bilden. Das geplante Kernnetz in Deutschland könnte bis 2032 eine Länge von etwa 9.040 Kilometern erreichen. Rund 60 Prozent davon entstehen durch die Umstellung bestehender Erdgasleitungen. Für die saisonale Speicherung gelten unterirdische Salzkavernen als einzig praktikable Lösung im industriellen Maßstab.

Der globale Wasserbedarf für die Elektrolyse erscheint im makroskopischen Maßstab handhabbar. Er macht weltweit weniger als drei Prozent des Bedarfs der Nahrungsmittelproduktion aus. Die Herstellung von Wasserstoff verbraucht damit deutlich weniger Wasser als die heutige Förderung fossiler Energieträger. An trockenen Standorten könnte die Wasserknappheit jedoch Genehmigungen verzögern.

Auch interessant:

• Die hartnäckigsten Windenergie-Mythen – und was an ihnen dran ist
• Strom durch Schritte: die Zukunft der nachhaltigen Energie?
• Warum E-Autos auf der Autobahn mehr Energie verbrauchen
• Lebensdauer von Solarzellen: So lange halten PV-Anlagen

Der Beitrag Wasserstoff-Faktencheck: Wo sich der Einsatz lohnt – und wo nicht erschien zuerst auf BASIC thinking. Folge uns auch auf Google News und Flipboard oder abonniere unseren Newsletter UPDATE.