Durchbruch bei der Wasserstoffproduktion

publiziert: Dienstag, 12. Mrz 2024 / 16:58 Uhr / aktualisiert: Dienstag, 12. Mrz 2024 / 18:02 Uhr
Esteban Toledo, Doktorand an der Königlichen Technischen Hochschule (KTH), arbeitet mit dem Prototyp der entkoppelten Wasserspaltung.
Esteban Toledo, Doktorand an der Königlichen Technischen Hochschule (KTH), arbeitet mit dem Prototyp der entkoppelten Wasserspaltung.

Forscher haben ein neues Konzept zur effizienteren Gewinnung von Wasserstoffenergie vorgestellt, bei dem Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird, ohne das gefährliche Risiko einer Vermischung der beiden Gase.

Die an der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) in Stockholm entwickelte Methode trennt den Standard-Elektrolyseprozess zur Erzeugung von Wasserstoffgas, bei dem Wassermoleküle durch Anlegen eines elektrischen Stroms gespalten werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen werden die entstehenden Sauerstoff- und Wasserstoffgase getrennt erzeugt und nicht gleichzeitig in derselben Zelle, wo sie durch Membranbarrieren voneinander getrennt werden müssen.

Diese Trennung eliminiert die Möglichkeit einer Gasvermischung, was das Explosionsrisiko birgt, erklärt der Forscher Esteban Toledo, Doktorand an der KTH. Er hat gemeinsam mit Joydeep Dutta, Professor für angewandte Physik an der KTH, die Arbeit verfasst, die heute in Science Advances veröffentlicht wurde. Ausserdem sind keine Seltenerdmetalle mehr erforderlich.

Die beiden Forscher haben das System patentiert und mit Unterstützung von KTH Innovation das Unternehmen Caplyzer AB gegründet, um die Technologie zu skalieren. Dutta gibt an, dass der Wirkungsgrad des neuen Verfahrens zur Herstellung von Wasserstoffgas 99 Prozent beträgt. Die Labortests zeigten keine offensichtliche Verschlechterung der Elektroden bei Langzeittests, was für kommerzielle Anwendungen wichtig ist.

Die Methode

Bei der Herstellung von Wasserstoff aus Wasser entsteht immer auch Sauerstoff. Ein typischer alkalischer Elektrolyseur verfügt über eine positive und eine negative Elektrode in einer Kammer mit alkalischem Wasser. Diese sind durch eine ionendurchlässige Barriere getrennt. Wenn Strom fliesst, reagiert das Wasser an der Kathode mit Bildung von Wasserstoff und negativ geladenen Hydroxidionen, welche durch die Barriere zur Anode diffundieren und Sauerstoff erzeugen.

Die Barriere führt zu einem Widerstand und erhöht bei schwankender elektrischer Ladung das Risiko einer explosiven Mischung aus Sauerstoff und Wasserstoff. Toledo betont die Bedeutung dieser Neuerung in Bezug auf eine zuverlässigere Form grüner Energieerzeugung unter Einbeziehung intermittierender Quellen wie Sonne oder Wind.
«Da wir kein Risiko eingehen wollen durch Gasvermischungen können wir über einen grösseren Eingangsleistungsbereich arbeiten», erklärt er. «So lässt sich die Technologie viel einfacher mit erneuerbaren Energien koppeln, welche im Allgemeinen variable Energie liefern.»

Wechselseitiges Laden und Entladen

Das gleichzeitige Erzeugen beider Gase wird umgangen indem eine Elektrode durch eine superkapazitive Elektrode aus Kohlenstoff ersetzt wird. Diese speichert abwechselnd Ionen ein und gibt sie wieder ab wodurch die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff effektiv getrennt wird.

Wenn die Elektrode negativ geladen ist produziert sie den Ionen Hydroxid (OH) welche vom Superkondensator gespeichert werden. Bei Umschalten der Stromrichtung gibt dieser dann OH-Ionen ab während an der nun positiven Elektrode Sauerstoff produziert wird. «Eine einzige Elektrode kann sowohl Sauerstoff als auch Wasserstof entwickeln,» sagt Dutta.«Es ist fast wie ein aufladefähiger Akku - Wechselseitiges Laden und Entladen . Letzthin geht es nur darum den Kreislauf zu schliessen.»

(fest/pd)

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