RICE-Forscher (v.l.n.r.): Naomi Halas, Peter Nordlander und Yigao Yuan
Wie mit Licht Wasserstoff erzeugt wird
Eigentlich wäre Wasserstoff ein idealer Energieträger: Als Kraftstoff kann er beispielsweise Lkw, Busse und Flugzeuge emissionsfrei antreiben. Das ist entscheidend für die Verkehrswende. Doch auch wenn der Wasserstoff selbst keine Schadstoffe an die Umwelt abgibt, ist seine Produktion größtenteils alles andere als klimafreundlich.
Forscher der RICE University in Houston, Texas, haben nun eine neue Methode für die Wasserstoffproduktion entwickelt, die völlig emissionsfrei ist. Dadurch würde Wasserstoff vollständig „grün“.
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Die "Farben" des Wasserstoffs
Je nachdem, woher die Energie zur Herstellung des Wasserstoffs herkommt, erhält er im Sprachgebrauch eine andere "Farbe". Das sind die wichtigsten:
- "Grün" bedeutet, dass der Wasserstoff aus erneuerbaren, sauberen Energien, wie Sonnen-, Wind- oder Wasserkraft, z.B. durch Elektrolyse, produziert wird.
- Als "Grau" gilt jener, der aus Erdgas (Methan) hergestellt wird. CO2 ist ein Nebenprodukt dieses Vorgangs.
- Eine Abstufung ist der "blaue" Wasserstoff. Hier wird das CO2 nicht in die Atmosphäre abgegeben, sondern mittels Carbon Capture and Storage-Technik (CCS) gespeichert und unterirdisch gelagert.
- "Türkiser" Wasserstoff entsteht bei der sogenannten Methanpyrolyse. Ausgangsstoff ist ebenso Methan, bei der Herstellung entsteht aber fester Kohlenstoff (Kohle), der gelagert oder weiterverarbeitet werden kann.
- "Schwarzer" Wasserstoff wird aus Kohlekraft gewonnen, "roter" Wasserstoff aus Atomkraft und „gelber“ aus dem Strommix des öffentlichen Netzes.
Derzeit werden für die energieaufwändige Wasserstoffproduktion fossile Brennstoffe wie Erdgas verwendet. Mit ihnen wird die sogenannte Methandampfreformierung (SMR, für engl. „Steam Methan Reforming“) durchgeführt.
Dabei reagiert etwa Erdgas bei hohen Temperaturen (zwischen 450 und 500 °C) und hohem Druck (25 bis 30 bar) mit Wasserdampf. Dadurch wird u.a. Methan freigesetzt, was erneut stark erhitzt wird (800 bis 900 °C) und mit Wasser reagiert. Neben dem gewünschten Wasserstoff entsteht bei diesen Prozessen auch Kohlenstoffdioxid (CO2).
Licht-Katalysator spaltet Methan und Wasserdampf
Die neue Methode der RICE-Forscher nutzt statt Wärme aber Licht. Damit das funktioniert, verwenden sie einen Katalysator, also einen Stoff, mit dem die chemische Reaktion beschleunigt wird. Wird der Katalysator mit Licht in einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, spaltet er Methan und Wasserdampf ohne zusätzliche Hitzezufuhr in Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid auf. Im Gegensatz zu CO2 ist Kohlenstoffmonoxid kein Treibhausgas. Es kann in der Industrie als Synthesegas, z. B. zur Herstellung von Säuren, weiterverwendet werden.
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Bei der Entwicklung der Methode griffen die Forscher auf eine bereits 2011 gemachte Entdeckung zurück. Sie beschreibt die Schwingungen von Elektronen in metallischen Nanopartikeln, wenn diese Lichtwellen ausgesetzt werden. Diese kollektive Elektronenschwingung nennt man Plasmonen.
Metallpartikel als Antennen für Lichtenergie
Die Plasmonen können Lichtenergie absorbieren und es entstehen sogenannte „heißen Ladungsträger“. Sie sind so energiereich, dass sie sich vom Metall lösen und zu anderen Molekülen wandern können. Die Metallnanopartikel wirken wie Antennen für die Lichtenergie, um die SMR-Reaktion zu beschleunigen.
„Plasmonen sind sehr effiziente Lichtabsorber und können sehr energiereiche Ladungsträger erzeugen. Sie können die benötigten chemischen Reaktionen viel effizienter durchführen als die herkömmliche Thermokatalyse“, beschreibt Studienautor Yigao Yuan in einem Statement den Vorteil gegenüber Hitzezufuhr.
Für ihre Methode verwenden die Forscher Kupfernanopartikel. Damit sie sich mit Methan verbinden können, wurden Rhodiumatome hinzugegeben. Sie binden Methan- und Wassermoleküle, um so die SMR-Reaktion zu beschleunigen. Ein weiterer Vorteil dieses Katalysators ist, dass er bei der Reaktion nicht deaktiviert wird, sondern sich durch das Licht regeneriert. Die Ergebnisse der Studie sind im Fachmagazin Nature Catalyst erschienen.
Wasserstoff direkt im Fahrzeug produzieren
Ein zusätzlicher Vorteil der neuen Methode ist ihre vereinfachte Produktionsumgebung. Bei der traditionellen Wasserstoffproduktion wird der Prozess in großen Anlagen durchgeführt. Das bedeutet, es entstehen Transportwege, etwa um den Wasserstoff zu Tankstellen zu bringen. Und Wasserstoff ist schwer und teuer zu transportieren. Entweder braucht man dazu Hochdruckbehälter oder spezielle Gefriertanks, die das Gas auf -252 Grad Celsius halten, damit es flüssig ist.
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Die neue lichtgetriebene SMR-Reaktion kann laut den Forschern aber den Wasserstoff auf Abruf erzeugen - er muss also nicht zwischengespeichert werden. Das kann direkt an Tankstellen oder sogar im Fahrzeug geschehen. Ein Lkw könnte etwa Methan tanken. Das wird direkt an Bord zu Wasserstoff umgewandelt, der gleich für den Antrieb genutzt wird. Dadurch erspart man sich die schwierige Lagerung des Wasserstoffs.
TU Wien erzeugt Wasserstoff mit Sonnenenergie
Einen ähnlichen Ansatz verfolgen auch Forscher der TU Wien. Statt Kupfer verwenden sie Titan, mit dem sie durch Sonnenlichteinstrahlung mit Elektrolyse Wasser zu Wasserstoff umwandeln (futurezone berichtete). Noch ist das Verfahren aber nicht wirtschaftlich genug, um sich gegen die am weitesten verbreitete SMR-Reaktion mit Erdgas durchzusetzen.
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