Der Beitrag Offshore-Elektrolyse: Kommt jetzt grüner Wasserstoff aus der Nordsee? erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.
Die Produktion von grünem Wasserstoff direkt auf der Nordsee nimmt konkrete Formen an. Neue Regularien könnten mehr Planungssicherheit für Offshore-Projekte schaffen. Doch es wird wohl noch dauern, bis der Wasserstoff tatsächlich in großem Maßstab an Land fließen kann.
Grüner Wasserstoff gilt in der Energiewende als wichtiger Baustein für eine klimaneutrale Industrie. Denn mit dem Stoff können fossile Energieträger dort ersetzt werden, wo eine direkte Elektrifizierung nur schwer möglich ist, wie beispielsweise in der Stahl- und Chemieproduktion.
Daher hat sich die Bundesregierung im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie auch zum Ziel gesetzt, die heimische Elektrolysekapazität bis zum Jahr 2030 auf mindestens zehn Gigawatt auszubauen. Gleichzeitig soll ein leistungsfähiges Wasserstoffnetz entstehen, das unter anderem Industrieunternehmen und Speicher miteinander verbindet.
Ein wichtiger Baustein für die Erreichung dieses Ziels könnte künftig grüner Wasserstoff aus der Nordsee sein. Denn dort lässt sich der Strom großer Offshore-Windparks direkt vor Ort nutzen, um grünen Wasserstoff per Elektrolyse herzustellen. Dieser würde dann über Pipelines an Land transportiert werden.
Die Nachfrage nach grünem Wasserstoff wird in den kommenden Jahren deutlich steigen. Denn dieser ist notwendig für den klimafreundlichen Umbau von Industrie und Energiesystem und damit unerlässlich für die Energiewende.
Prognosen zufolge könnte daher die Nachfrage nach molekularem und emissionsarm hergestelltem Wasserstoff bis zum Jahr 2050 weltweit auf insgesamt 598 Millionen Tonnen ansteigen. Für das Jahr 2030 gehen die Schätzungen von einem Bedarf in Höhe von 172 Millionen Tonnen aus.
Auch in Deutschland wird die Nachfrage in den kommenden Jahren weiter wachsen. Dabei dürfte die heimische Produktion allerdings nicht ausreichen, um den Bedarf vollständig zu decken.
Grüner Wasserstoff aus der Nordsee könnte jedoch dazu beitragen, die Abhängigkeit von Importen zu verringern. Bislang fehlte dafür allerdings der geeignete rechtliche Rahmen.
Ein Referentenentwurf zur Novelle des Windenergie-auf-See-Gesetzes (WindSeeG) könnte dies nun ändern. Denn in diesem wird erstmals das bisherige Anschlussverbot für sogenannte sonstige Energiegewinnungsbereiche gestrichen.
Zusätzlich finden Elektrolyseure erstmals ausdrücklich Erwähnung in dem Gesetz. Somit könnte die auf See gewonnene Windenergie künftig entweder als Strom oder in Form von Wasserstoff an Land gebracht werden.
Die Produktion von grünem Offshore-Wasserstoff könnte laut dem Entwurf „potenziell die Systemkosten durch den Wegfall kostenintensiver Stromnetzinfrastruktur senken“. Allerdings sei die Offshore-Elektrolyse „bislang jedoch auch aufgrund des noch frühen Entwicklungsstadiums nicht wirtschaftlich darstellbar“.
Daher sei nun das nächste Ziel die „Erprobung im Betrieb und im größeren Maßstab“. Das Ziel sei es demnach, die neuen Technologien unter realen Bedingungen schnell und möglichst unbürokratisch auszuprobieren.
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Der Beitrag Wasserstoff aus Bioabfall: Neues Verfahren mit fast 100 Prozent Ausbeute erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.
Forschern ist es mithilfe eines neuen Verfahrens gelungen, äußerst effizient Wasserstoff aus Ameisensäure herzustellen. Durch jährlich anfallende Bioabfälle in einer Größenordnung von mehreren Millionen Tonnen erscheint das daraus entstehende Potenzial enorm.
Neben der Wind- und Solarkraft hat sich Wasserstoff zu einer wichtigen Säule der Energieversorgung entwickelt. Doch häufig ist die Produktion weiterhin ein Problem. Produzieren wir etwa Wasserstoff mit Kohlestrom, so verschieben sich die Emissionen nur weiter nach vorn in den Lebenszyklus. Forscher des Leibniz-Instituts für Katalyse e.V. (LIKAT) haben in Kooperation mit dem bayerischen KMU OxFA jetzt aber eine mögliche Lösung vorstellt.
Es geht um ein neuartiges Katalysatorsystem, das die Freisetzung von Wasserstoff aus biobasierter Ameisensäure ermöglicht. Als Basis dienen verholzte oder feuchte Reststoffe, vergorene Biomasse oder Abfälle aus der Industrie. Laut Daten des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ) fällt allein in Deutschland Biomasse in einer Größenordnung von rund 31 Millionen Tonnen Trockensubstanz pro Jahr an.
In einer Pilotanlage im OxFA-Technikum lief das System über 820 Stunden stabil. Dabei entstanden etwa 30 Kubikmeter Wasserstoff im kontinuierlichen Betrieb. Das entspricht in etwa dem, was ein modernes Wasserstoffauto über 250 Kilometer verbraucht. Das System soll mit Ameisensäure mit einem Wassergehalt von fünf bis 99 Prozent funktionieren. Die Reaktion erfolge bei etwa 65 Grad Celsius. Henrik Junge, unter dessen Leitung am LIKAT in Rostock das System entwickelt wurde, dazu:
Unser Katalysator zeigt zwar eine leicht geringere Aktivität als andere bekannte Systeme, jedoch können unterschiedlichste Wassergehalte in der biogenen Ameisensäure problemlos verwendet werden – Dr. Henrik Junge, leitender Forscher des Projekts
Der Katalysator selbst besteht aus einem speziellen Helferstoff (Ruthenium-Komplex mit Amin-Additiv) und zeige während der chemischen Reaktion eine besonders hohe Effizienz. Denn fast 100 Prozent der Wasserstoffatome sollen aus der Ameisensäure abgespaltet worden sein. Ein weiterer Vorteil liegt laut den Forschern in der nicht notwendigen Reinigung. Denn das vorhandene Wasser muss vor der Reaktion nicht erst energieintensiv herausgefiltert werden.
Im Resultat entsteht also eine Option, durch die sich künftig vielleicht relativ energiesparsam Wasserstoff herstellen ließe. Die Ameisensäure dient dabei nicht nur als Ausgangsstoff, sondern auch als Mittel, um Wasserstoff zu lagern und zu transportieren. Durch die angepriesene Reaktion bei 65 Grad Celsius wäre ein Einsatz in klassischen Niedertemperatur-Brennstoffzellen kein Problem.
Trotzdem gibt es noch Herausforderungen. So weist der neue Katalysator eine geringere Reaktionsgeschwindigkeit als bekannte chemische Systeme auf. Außerdem sammelt sich kontinuierlich Wasser in dem System an, das mittelfristig entfernt werden muss, ohne dabei den Katalysator zu verlieren.
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Der Beitrag Studie dämpft Erwartungen: Weißer Wasserstoff viel seltener als gedacht erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.
Natürlicher Wasserstoff gilt als einer der Hoffnungsträger für die Energiewende. Doch sein tatsächliches Potenzial ist offenbar nicht so groß wie bislang angenommen. Eine neue Studie liefert erstmals belastbare Zahlen für eine großflächige Nutzung.
Wasserstoff macht erneuerbare Energie speicherbar und gilt daher als wichtiger Baustein für die Energiewende. Denn durch die Speicherung können Schwankungen von Wind- und Solarenergie ausgeglichen werden. Der Stoff ermöglicht es außerdem, fossile Brennstoffe in Bereichen zu ersetzen, in denen eine direkte Elektrifizierung nur schwer möglich ist.
Eine besondere Rolle könnte dabei natürlicher Wasserstoff spielen. Denn dieser entsteht durch geologische Prozesse im Untergrund und entsteht im Gegensatz zu grünem Wasserstoff nicht erst mit hohem Energieaufwand.
Doch die Nutzung des natürlichen Wasserstoffs hängt vor allem davon ab, wo und in welchen Mengen er im Untergrund vorkommt und wie schnell sich die Vorkommen regenerieren. Eine internationale Studie unter Leitung des LIAG-Instituts für Angewandte Geophysik in Hannover hat sich dieser Frage gewidmet und erstmals prozessbasierte Zahlen bereitgestellt.
Der weiße Wasserstoff, wie natürlicher Wasserstoff auch genannt wird, könnte die Versorgung mit sauberem Wasserstoff ergänzen und die Energiewende insbesondere in Regionen mit geeigneten geologischen Bedingungen voranbringen. Der natürlich im Untergrund der Erde vorkommende Stoff gilt als mögliche kohlenstoffarme Energiequelle.
Er entsteht, wenn Wasser mit eisenreichen Gesteinen aus dem Erdmantel reagiert. Dieser natürliche Prozess, der Serpentinisierung genannt wird, setzt kontinuierlich molekularen Wasserstoff frei.
Dieser wird bereits heute in manchen Gebieten, wie zum Beispiel in Mali und auf den Philippinen, als lokale Energiequelle genutzt. Doch für einen großflächigen Einsatz ist bislang noch unklar, welche Mengen im Untergrund tatsächlich entstehen und wie schnell sich neue Vorkommen bilden.
Das internationale Forscherteam unter der Leitung des LIAG-Instituts für Angewandte Geophysik hat nun erstmals prozessbasierte Berechnungen vorgelegt, um diese Fragen zu beantworten. Die Studie, die im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht wurde, liefert Zahlen zur natürlichen Wasserstoffbildung in den westlichen Pyrenäen und in Nordkalifornien.
Dabei konnten die Forscher feststellen, dass die berechneten Produktionsraten unter früheren theoretischen Schätzungen liegen. Mit ihrer vorgestellten Methode erhoffen sie sich künftig realistischere Bestimmungen der Wasserstoff-Vorkommen.
Für ihre Studie haben die Wissenschaftler untersucht, wie viel Wasserstoff tatsächlich im Untergrund vorkommt. Auch wurde analysiert, wie schnell er gebildet wird und unter welchen Bedingungen sich nutzbare Ansammlungen entwickeln können.
In der Untersuchung wurden Vorkommen in den westlichen Pyrenäen und Nordkalifornien analysiert. In diesen Gebieten kommen verschiedene ultramafische Gesteine im oberen Erdmantel vor, die dann mit Wasser aus großen Tiefen reagieren und Wasserstoff an der Oberfläche nachweisbar machen.
Die Forscher haben nun für ihre Studie tatsächliche Raten modelliert, mit denen Wasserstoff unter realen geologischen Bedingungen erzeugt wird. Damit liefern sie erstmals prozessbasierte Zahlen, die im Gegensatz zu den theoretischen Maximalpotenzialen stehen, die bisher nur auf Schätzungen beruhten.
Dabei konnten die Forscher in den westlichen Pyrenäen eine Produktion von rund 308 Tonnen Wasserstoff pro Jahr ausmachen, in Nordkalifornien liegt die Zahl bei rund 515 Tonnen. Schätzungen waren bisher von Hunderttausenden bis Millionen Tonnen pro Jahr ausgegangen.
„Unsere Ergebnisse sind ein realistischer Ausgangspunkt, der uns zeigt, wo wir suchen müssen, welche Bedingungen die Anreicherung begünstigen und auf welche Zeitrahmen wir planen müssen“, erklärt Dr. Rodolfo Christiansen, Erstautor der Studie vom LIAG-Institut für Angewandte Geophysik. „Genau das benötigt die verantwortungsvolle Exploration jeder neuen Energieressource.“
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Der Beitrag Forscher widerlegen Chemie-Dogma – für bessere Brennstoffzellen erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.
Brennstoffzellen gelten als Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Doch teures Platin macht sie für den Massenmarkt zu kostspielig. Ein Forscherteam aus Japan hat jetzt mithilfe von KI vielversprechende Ersatzmaterialien identifiziert und dabei ein jahrzehntealtes Chemie-Dogma widerlegt. Ihre Erkenntnis: Doppelatom-Katalysatoren funktionieren nach völlig anderen Regeln als bisher angenommen.
Forscher der Tohoku Universität haben im Rahmen einer systematischen Untersuchung mehr als 200 Doppelatom-Katalysatoren analysiert, um die verborgenen Mechanismen der Sauerstoffreduktionsreaktion zu entschlüsseln. Ihr Ziel: leistungsfähigere und günstigere Brennstoffzellen.
Dabei griff das Team auf umfangreiche Daten einer digitalen Plattform namens Digital Catalysis zurück. Mithilfe von modernen theoretischen Simulationen und maschinellem Lernen filterte ein Vorhersagemodell aus insgesamt 216 Systemen zunächst 42 Varianten mit einem spezifischen Dissoziationsmechanismus heraus. Am Ende identifizierte das Vorhersagemodell 14 potenzielle Doppelatom-Katalysatoren mit einer hohen prognostizierter Aktivität.
Die wichtigste Kernaussage der Studie bricht mit einem langjährigen Dogma der Chemie. Denn bisher beschrieben Forscher die Aktivität solcher Systeme fälschlicherweise durch das traditionelle Einzelgipfel-Vulkan-Modell, das von Einzelatom-Katalysatoren bekannt ist. Die neue Arbeit zeigt jedoch, dass bei Doppelsystemen das Prinzip des sogenannten Dual-Sabatier-Optima greift.
Da sich der geschwindigkeitsbestimmende Schritt im Prozess dynamisch verändert, teilt sich die katalytische Aktivität auf zwei getrennte, optimale Spitzenregionen auf. Dieser Unterschied entsteht, da primär ein Dissoziationsmechanismus die Reaktionen reguliert.
Einzelatome folgen hingegen meist einem Assoziationsmechanismus. Das neu nachgewiesene Prinzip erweist sich als universell anwendbar. Es gilt für eine Vielzahl von Systemen, die Übergangsmetalle, metallähnliche Elemente oder auch Nichtmetallatome enthalten, und bietet damit eine völlig neue Grundlage für das Materialdesign. Studienautor Hao Li betonte die Tragweite dieser neuen Designregeln für die Praxis:
Lange Zeit gingen Forscher davon aus, dass Doppelatom-Katalysatoren denselben Aktivitätsregeln folgen wie Einzelatom-Katalysatoren. Unsere Arbeit zeigt, dass völlig andere Mechanismen entstehen können, wenn zwei Atome zusammenarbeiten, was neue Möglichkeiten für das Design hocheffizienter Materialien für saubere Energietechnologien eröffnet.
In Zukunft soll dieser KI-gestützte Ansatz auf noch komplexere, multimetallische Katalysatorsysteme ausgeweitet werden. Die langfristige Vision des Forschungsteams umfasst den Aufbau eines vollständig autonomen digitalen Frameworks auf der Plattform, das lernende Software-Agenten und elektrochemische Simulationen vereint.
Durch das rasche Filtern optimaler Strukturen lässt sich die Entdeckungszeit neuer Materialien drastisch verkürzen, um teures Platin zu ersetzen und den Übergang zu grüner Energie zu beschleunigen.
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Der Beitrag Cambridge-Forscher produzieren Wasserstoff aus Plastikmüll erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.
Über 95 Prozent des weltweiten Wasserstoffs stammen aus fossilen Quellen. Forscher aus Cambridge haben nun erstmals einen ein Quadratmeter großen Solarreaktor im Freien betrieben, der aus Plastikmüll ohne fossile Energie Wasserstoff erzeugt.
Die weltweite Produktion von Wasserstoff basiert zu über 95 Prozent auf fossilen Energieträgern oder fällt lediglich als Nebenprodukt petrochemischer Prozesse an. Ein Forscherteam der University of Cambridge hat jetzt einen vielversprechenden Lösungsansatz unter realen Bedingungen im Freien erprobt. Ein großflächiger Photoreaktor mit einer aktiven Gesamtfläche von einem Quadratmeter wurde dafür unter natürlichem Sonnenlicht betrieben.
Das System nutzt ein kostengünstiges und stabiles, mit Aluminium dotiertes Strontiumtitanat als Lichtabsorber, um schwer recycelbare Feststoffabfälle aufzuwerten. Als Rohstoff dienen gewöhnliche PET-Flaschen oder Zellulose, die nach einer unkomplizierten chemischen oder enzymatischen Vorbehandlung eingesetzt werden. Die Herstellung der benötigten Katalysatorplatten erfolgt komplett ohne komplexe Hochtemperatur-Glühprozesse oder den Zusatz von klassischen Bindemitteln.
Während der an verschiedenen Tagen durchgeführten Experimente im englischen Cambridge betrug die durchschnittliche natürliche Lichtintensität jeweils 0,5 bis 0,6 Sonnen. Trotz dieser moderaten Bedingungen erwärmte sich die Oberfläche des Reaktors allein durch die Sonneneinstrahlung auf über 30 Grad Celsius.
Nach einer Laufzeit von sechs Stunden erreichte die Wasserstoffausbeute einen Wert von 5,24 Millimol pro Quadratmeter bei der Nutzung von Glukose und 1,51 Millimol pro Quadratmeter bei vorbehandelter Zellulose. Neben dem begehrten Gas entstanden im Außenreaktor auch wertvolle organische Stoffe wie Format und Acetat.
Auf reiner Katalysator-Gewichtsbasis erzeugten die innovativen, sprühbeschichteten Platten im mittleren Maßstab 2.870 ± 780 Mikromol pro Gramm und Stunde an Wasserstoff. Im Vergleich dazu schafften die traditionell im Labor gegossenen Platten unter gleichen Bedingungen lediglich 630 ± 69 Mikromol pro Gramm und Stunde.
Trotz der Erfolge zeigt die technologische Entwicklung im größeren Maßstab noch deutliche Hürden auf. Beim Vergrößern des Systems von der winzigen Laborzelle auf eine mittlere Skala sank die flächenspezifische Produktionsrate um rund 50 Prozent.
Zudem drosseln komplexe Abbaupfade die Reaktionskinetik, während unvollständig abgebauter Zellulosemüll die aktiven Zentren des Katalysators blockiert und ein erhebliches Auslaugen des Kobalts nach 22 Stunden Betriebszeit gemessen wurde.
Die technoökonomische Analyse beziffert die Kosten bei einer Wiederverwendung der Trägerplatten auf 0,93 Pfund pro Millimol, während sie ohne Wiederverwendung auf bis zu 7,44 Pfund steigen. Der leitende Forscher Erwin Reisner betonte die Dringlichkeit einer Skalierung für die praktische Anwendung:
Wenn wir unseren Umgang mit den beiden Problemen – Plastikverschmutzung und saubere Energieerzeugung – wirklich ändern wollen, müssen wir einen sehr skalierbaren Weg zur Herstellung dieser Photokatalysatormaterialien und Reaktoren entwickeln – und zeigen, dass sie im Freien tatsächlich funktionieren.
Zukünftige Systemgenerationen müssen daher auf Katalysatoren setzen, die das sichtbare Lichtspektrum besser ausnutzen. Zudem wird laut Sensitivitätsanalyse der Einsatz von Solarkonzentratoren sowie die Entwicklung stabilerer Systeme entscheidend sein, um eine Produktion zu wettbewerbsfähigen Kosten zu erzielen.
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