Sauberer Wasserstoff aus Wasser: Perowskit senkt die Temperatur um 900 °F (500 °C)

Wasserstoffbetriebene Busse rollen bereits durch einige Städte und stoßen dabei lediglich Wasserdampf aus. Der Brennstoff verbrennt sauber – ohne Kohlenstoff und ohne Ruß. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, sauberen Wasserstoff aus Wasser herzustellen.

Fast der gesamte Wasserstoff, den wir heute verbrauchen, wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen; die saubereren Verfahren benötigen bislang Hitze auf Ofenniveau. Ein Forschungsteam in England hat diese notwendige Temperatur nun um Hunderte Grad gesenkt.

Ein schmutziges offenes Geheimnis

Trotz seines Images als sauber verbrennender Energieträger stammen rund 95 % des weltweiten Wasserstoffs weiterhin aus fossilen Rohstoffen. Beim vorherrschenden Verfahren werden Wasserstoffatome aus Erdgas abgespalten, während Kohlendioxid als Nebenprodukt zurückbleibt.

Ein aktueller weltweiter Branchenbericht kam zu dem Ergebnis, dass weniger als 1 % des Angebots als emissionsarmer Brennstoff gilt. Wasser per Elektrizität aufzuspalten ist deutlich sauberer, bleibt jedoch teuer und deckt nur einen winzigen Anteil des Bedarfs.

Genau diese Lücke ist das Kernproblem. Wasserstoff könnte Lkw antreiben und Kohle in der energieintensiven Industrie ersetzen – aber nur, wenn er gleichzeitig sauber und kostengünstig verfügbar wird.

Sauberer Wasserstoff aus Wasser

Ein vielversprechender Ansatz kommt ganz ohne Stromleitungen und Kraftwerke aus. Bei der thermochemischen Wasserspaltung entzieht ein erhitztes Material dem Dampf Sauerstoffatome; als verbleibendes Produkt entweicht Wasserstoffgas. Die Wärme übernimmt den gesamten Prozess.

Bislang war die erforderliche Temperatur der entscheidende Haken. Die Aufspaltung von Wasser verlangt, wie eine technische Übersicht dieses Verfahrens erläutert, etwa 1.300 bis 1.800 °F (700 bis 980 °C).

Danach folgt der anspruchsvollere Schritt. Nach jedem Durchlauf ist das Material mit Sauerstoff beladen, und um diesen wieder auszutreiben, sind ungefähr 2.400 bis 2.700 °F (1.320 bis 1.480 °C) nötig. Nur wenige Reaktoren – und noch weniger Budgets – halten einer solchen Belastung stand.

Fast 900 Grad kühler: Perowskit für Wasserstoff

Das neue Material wurde von einem Team um Professor Yulong Ding entwickelt, einem Chemieingenieur an der Universität Birmingham. Er arbeitete dabei mit Kolleginnen und Kollegen der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking zusammen. Gemeinsam verlagerten sie beide Abschnitte dieses extremen Kreislaufs in deutlich besser beherrschbare Temperaturbereiche.

Der Katalysator besteht aus einem Perowskit – einem Kristall, dessen Gitterstruktur mit winzigen Lücken durchsetzt ist, die Sauerstoff aufnehmen. Wird er mit Dampf versorgt, zieht er den Sauerstoff direkt aus den Wassermolekülen und lässt Wasserstoffgas entweichen.

In Labortests erzeugte das Material bei Temperaturen von etwa 300 bis 930 °F (150 bis 500 °C) relevante Mengen Wasserstoff.

Um es für den nächsten Durchlauf zurückzusetzen, waren etwa 1.300 bis 1.800 °F (700 bis 980 °C) erforderlich – rund 900 °F (500 °C) weniger als bei heutigen Katalysatoren möglich ist.

Bislang ging man davon aus, dass diese Kristalle Sauerstoff nur bei wesentlich höheren Temperaturen aufnehmen können. Vor dieser Studie hatte niemand gezeigt, dass dies auch bei so moderaten Temperaturen funktioniert; genau diese Eigenschaft ermöglicht den kühleren Ablauf des gesamten Zyklus.

Aus gängigen Elementen hergestellt

Auch die Zusammensetzung ist vorteilhaft. Der Kristall enthält Barium, Calcium, Niob und Eisen – keines dieser Elemente ist selten oder giftig. Für die Herstellung sind keine aufwendigen Arbeitsschritte erforderlich.

Auch bei der Haltbarkeit überzeugte das Material im Test. Die leistungsstärkste Variante produzierte über zehn unmittelbar aufeinanderfolgende Zyklen hinweg weiter Wasserstoff, ohne zwischen den Durchläufen erkennbare Verschleißerscheinungen zu zeigen.

Röntgenuntersuchungen bestätigten dies: Die Struktur des Kristalls veränderte sich während wiederholter Aufheiz- und Abkühlvorgänge kaum.

Die Analyse des Teams legt nahe, dass Wassermoleküle an den freien Stellen zerfallen, an denen zuvor Sauerstoffatome saßen. Die genaue Chemie muss jedoch noch abschließend geklärt werden.

Brennstoff aus industrieller Abwärme

Der Betrieb bei niedrigeren Temperaturen verändert, wo Wasserstoff erzeugt werden kann. Stahlwerke, Zementfabriken und andere energieintensive Industrien geben enorme Mengen Abwärme ab, die zu großen Teilen genau im Arbeitsbereich des neuen Katalysators liegt.

Ein Betrieb könnte diese Energie vor Ort in eine Anlage zur Wasserspaltung einspeisen, statt sie über einen Schornstein abzugeben.

Auch Standorte in der Nähe erneuerbarer Stromquellen könnten so vorgehen und die Brennstoffproduktion nur wenige Schritte vom Einsatzort des Wasserstoffs entfernt ansiedeln.

Wasserstoff lässt sich bekanntermaßen nur umständlich speichern und transportieren. Dings Team argumentiert, dass die Produktion des Brennstoffs direkt am Einsatzort das Speicher- und Transportproblem vollständig umgeht.

Dadurch würden Unternehmen die Ausgaben für den Aufbau von Pipelines und Tankerflotten ersparen.

Günstiger als konkurrierende Verfahren

Das Team hat auch die Kosten berechnet. Eine vorläufige Analyse deutet darauf hin, dass das Verfahren grünen Wasserstoff unterbieten könnte – also Wasserstoff, der durch erneuerbaren Strom aus Wasser gewonnen wird.

Dieselbe Analyse verortete die Kosten auch unter denen von blauem Wasserstoff, der aus Erdgas mit Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid hergestellt wird.

Am stärksten schien dieser Vorteil in Regionen mit günstigem erneuerbarem Strom auszufallen; Australien wurde dabei als Beispiel genannt.

Dabei handelt es sich um frühe Schätzungen und nicht um Marktpreise, und die Übertragung von Laborproben auf industrielle Reaktoren bringt stets Überraschungen mit sich.

Dennoch hat die Universität ein Patent für die Katalysatorfamilie angemeldet und sucht kommerzielle Partner im Vereinigten Königreich und in Europa.

Was sich jetzt verändert

Das Fazit ist konkret: Ein preiswerter, stabiler Kristall kann beide Abschnitte des Wasserspaltungszyklus nun bei Temperaturen betreiben, die rund 900 °F (500 °C) unter dem liegen, was in diesem Bereich bislang als praktikabel galt. Vor dieser Studie hatte kein Labor dies demonstriert.

Diese Absenkung verändert die technische Kalkulation. Wasserstoffanlagen können nun auf die Abwärme ausgelegt werden, die Fabriken ohnehin erzeugen, anstatt auf Öfen angewiesen zu sein, die nahe den Schmelztemperaturen von Stahl arbeiten.

Kommerzielle Reaktoren müssen zwar noch gebaut werden, doch dieser Schritt ist bereits angelaufen. Bemerkenswert ist, wie gewöhnlich die Lösung wirkt.

Vier verbreitete Elemente, zu einem Kristall verarbeitet, könnten den sauberen Wasserstoff liefern, den erheblich teurere Konzepte seit Jahren anstreben.