Effiziente Elektrolyse: Der Weg zu grünem Wasserstoff
Wasserstoff wird als Hoffnungsträger auf dem Weg zu einer grünen Energielandschaft betrachtet. Es ermöglicht die Speicherung und den Transport von Energie aus erneuerbaren Quellen und eröffnet somit neue Möglichkeiten für den Handel mit dieser Energie. Die Elektrolyse ist eine Methode, um Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen. Allerdings ist die herkömmliche Elektrolyse teuer und arbeitet nur mit einem Wirkungsgrad von etwas über 80 Prozent. Doch es gibt vielversprechende Ansätze, um die Effizienz der Elektrolyse zu verbessern und somit grünen Wasserstoff kostengünstiger herzustellen.
Die Herausforderung der Effizienzsteigerung
Die Senkung des Stromverbrauchs ist der Schlüssel zur Effizienzsteigerung der Elektrolyse. Bisher gibt es jedoch nur begrenzte Möglichkeiten, die Verfahren effizienter zu gestalten. Doch die International Renewable Energy Agency (IRENA) hat vorausgesagt, dass bis zum Jahr 2050 Elektrolyseure mit weniger als 42 Kilowattstunden (kWh) Stromverbrauch in der Lage sein werden, ein Kilogramm Wasserstoff zu erzeugen.
Der Durchbruch: Kapillarelektrolyse
Forscher der University of Wollongong und dem ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science haben ein neues System namens Kapillarelektrolyse entwickelt, das bereits jetzt einen Wirkungsgrad von 98 Prozent aufweist. Bei diesem Verfahren wird eine Strommenge von nur 40 kWh benötigt, um ein Kilogramm Wasserstoff zu gewinnen. Dieser Durchbruch könnte dazu beitragen, die Kosten für die Herstellung von grünem Wasserstoff erheblich zu senken.Schematische Darstellung der Kapillarelektrolyse aus Studie Hodges et al. 2022Abbildung: Schematische Darstellung der Kapillarelektrolyse aus Studie Hodges et al. 2022Warum ist grüner Wasserstoff wichtig?Grüner Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Erreichung der Pariser Klimaschutzziele. Er ermöglicht die umweltfreundliche Gestaltung von Deutschlands größten Treibhausgasverursachern und stärkt gleichzeitig den Technologiestandort des Landes. Besonders in der Industrie kann grüner Wasserstoff dazu beitragen, bestimmte Prozesse in der Chemieindustrie klimafreundlich zu gestalten und die Verwendung von Kohle in der Stahlindustrie zu ersetzen. Zudem kann Wasserstoff als alternativer Brennstoff für Öfen eingesetzt werden. Im Verkehrssektor kann grüner Wasserstoff als Kraftstoff dienen, insbesondere dort, wo eine Elektrifizierung nicht möglich oder sinnvoll ist. Darüber hinaus kann Wasserstoff mit CO2 in andere klimafreundliche Kraftstoffe umgewandelt werden, um LKWs, Schiffe und Flugzeuge anzutreiben.
Der Weg des Wasserstoffs
Der Weg des Wasserstoffs beginnt mit der Erzeugung erneuerbarer Energie aus Wind, Sonne, Biomasse oder Wasser. Diese Energie wird genutzt, um die Elektrolyse von Wasser (H2O) durchzuführen, bei der Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt wird. Der gewonnene Wasserstoff kann dann für verschiedene Zwecke transportiert und genutzt werden.
Reversible Brennstoffzellen für effiziente Wasserstoffspeicherung
Reversible Brennstoffzellen, auch als reversible Solid Oxide Cells (rSOC) bezeichnet, sind eine vielversprechende Technologie für die Speicherung und Wiederverstromung von Wasserstoff. Diese Brennstoffzellen können Elektrizität in Form von Wasserstoff speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder rückverstromen. Dies ermöglicht den Ausgleich von Schwankungen erneuerbarer Energien und trägt zur Stabilisierung des Energieangebots bei. Reversible Brennstoffzellen eignen sich auch für den Einsatz in abgelegenen Gebieten, um autarke Energieversorgung sicherzustellen.
Effizienzsteigerung bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen
Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) arbeiten bei etwa 800 Grad Celsius und weisen eine hohe Effizienz auf. Im Gegensatz zu Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen können sie einen höheren Wirkungsgrad erreichen und ermöglichen die Verwendung kostengünstigerer Materialien. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben nun einen Wirkungsgrad von über 60 Prozent bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen erreicht. Durch ein verbessertes Stackdesign und eine optimierte Anlagentechnik konnten sie den elektrischen Wirkungsgrad auf 62 Prozent steigern.
Die Zukunft der Elektrolyse und Brennstoffzellen
Die Effizienz der Elektrolyse und Brennstoffzellen wird weiterhin erforscht und verbessert. Forscher der TU Graz arbeiten an Methoden zur Erzeugung, Speicherung, dem Transport und der Nutzung von Wasserstoff in verschiedenen Anwendungen. Die dezentrale Herstellung von Wasserstoff und der effiziente Transport sind Schlüsselfaktoren für die zukünftige Nutzung von grünem Wasserstoff. Es wird erwartet, dass die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff in Zukunft weiter sinken werden, was zu einer breiteren Anwendung dieses vielversprechenden Energieträgers führen wird.
Fazit
Die Effizienzsteigerung der Elektrolyse und die Entwicklung von Brennstoffzellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Förderung der Wasserstofftechnologie. Die Kapillarelektrolyse mit einem Wirkungsgrad von 98 Prozent und die Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit einem Wirkungsgrad von über 60 Prozent sind vielversprechende Ansätze, um grünen Wasserstoff effizient und kostengünstig herzustellen. Diese Technologien tragen zur Umsetzung einer grünen Energielandschaft bei und bieten Lösungen für die Speicherung und Nutzung erneuerbarer Energien.Die zukünftige Forschung und Entwicklung in diesem Bereich wird dazu beitragen, die Effizienz weiter zu verbessern und die Kosten für die Herstellung von grünem Wasserstoff zu senken. Grüner Wasserstoff spielt eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung der Industrie, des Verkehrssektors und der Energieversorgung. Mit innovativen Technologien wie der Kapillarelektrolyse und den Hochtemperatur-Brennstoffzellen werden wir in Zukunft effizienter und nachhaltiger mit Energie umgehen können.