Stanford-Forscher entwickeln verbessertes Verfahren zur Herstellung von nachhaltigem Wasserstoff
Methode steigert die Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen externen Heizverfahren um das Zehnfache
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Die Erzeugung von Wasserstoff ist für einige der weltweit größten industriellen und landwirtschaftlichen Bedürfnisse unverzichtbar, geht jedoch auch mit hohen Umweltkosten einher: Der Großteil des heute hergestellten Wasserstoffs entsteht durch Verfahren, bei denen große Mengen CO₂ freigesetzt werden. Dies ist auf eine Kombination aus hohem Wärmebedarf und direkten Emissionen zurückzuführen, die bei dem Prozess entstehen. Nun haben Forscher der Stanford University ein neues, hocheffizientes Verfahren zur Wasserstofferzeugung entwickelt, das die CO₂-Emissionen drastisch reduziert und ein unerwartetes sowie potenziell wertvolles Nebenprodukt liefert.
Die Methode, die in einer neuen, in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichten Studie beschrieben wird, nutzt einen Prozess namens Methanpyrolyse, bei dem Methan in Wasserstoffgas und festen Kohlenstoff zerlegt wird – anstelle des gasförmigen CO₂, das bei der herkömmlichen Wasserstoffproduktion freigesetzt wird.
„Heute nutzen wir Erdgas, um daraus Wasserstoff zu gewinnen, aber dabei entsteht auch CO₂“, sagte der Co-Erstautor Henry Moise, Forscher am Institut für Chemieingenieurwesen der Fakultät für Ingenieurwissenschaften in Stanford. „Die Pyrolyse ist ein ähnlicher Prozess, aber statt CO₂ entsteht dabei fester Kohlenstoff.“
Herausforderungen bei der Skalierung
Die Methanpyrolyse wird seit Jahren erforscht, doch die Forscher hatten Schwierigkeiten, sie über das Laborstadium hinauszubringen, da zwei große Hindernisse im Weg standen: die Entfernung des festen Kohlenstoffs aus dem Reaktor und die Bereitstellung von ausreichend Wärme im Reaktor, um den Prozess durchzuführen. Die neue Veröffentlichung, deren Co-Erstautoren Moise und der deutsche Gaststudent Sebastian Moll sind, konzentriert sich auf die Lösung der letztgenannten Herausforderung.
„Wenn man Pyrolyse in dem Maßstab durchführen will, der zur Deckung des Wasserstoffbedarfs erforderlich ist, muss man sehr große Reaktoren bauen“, sagte der leitende Autor Matteo Cargnello, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der Stanford Engineering. „Um diese Reaktoren auf sehr hohe Temperaturen, wie zum Beispiel 1.000 Grad Celsius, zu erhitzen, müssen die Heizmethoden sehr effizient sein.“
Heutige Industriereaktoren werden von außen beheizt, was bei großem Maßstab zu einem Problem wird. „Man kann sich vorstellen, dass es schwierig ist, die Wärme bis in die Mitte des Reaktors vordringen zu lassen, wenn man etwas wirklich Großes von außen erhitzt“, sagte Cargnello.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Moise und seine Kollegen eine Methode, den Reaktor von innen zu beheizen. Anstatt Erdgas zu verbrennen, was CO₂ erzeugt, fand das Team heraus, dass durch die Platzierung eines Brenners im Inneren des Reaktors, der selektiv einen Teil des Wasserstoffs verbrennt, hauptsächlich Wasser entsteht. So werden direkte Kohlenstoffemissionen vermieden und die Reaktion gleichzeitig effizient vorangetrieben.
Der Vorteil liegt laut Moise in einer etwa zehnfachen Effizienzsteigerung. Mit anderen Worten: Bei gleichem Energieaufwand produziert ein Reaktor, der diese neue Methode der autothermen Erwärmung nutzt, die gleiche Materialmenge wie zehn andere Reaktoren, die mit herkömmlichen externen Heizmethoden arbeiten.
„Es geht wieder um diesen Gedanken der Effizienz. Man kann CO₂-Emissionen reduzieren, indem man sie gar nicht erst entstehen lässt, aber man kann CO₂-Emissionen auch reduzieren, indem man Energie effizienter nutzt“, sagte Moise. „Es gibt also mehrere Wege, einen Prozess nachhaltiger zu gestalten.“
Unerwartete Vorteile
Über die Effizienzgewinne hinaus entdeckten die Forscher einen unerwarteten Vorteil des neuen Verfahrens: Der bei der Reaktion entstehende feste Kohlenstoff erwies sich als hochwertiger Graphit, ein Material, das in Batterien, Elektroden und anderen Technologien zum Einsatz kommt.
„Es ist nicht so, dass wir nicht mit Kohlenstoff von etwas höherer Qualität gerechnet hätten, aber der Grad der Graphitisierung und die Qualität des Kohlenstoffs waren einfach so hoch“, sagte Moise und bezeichnete dies als die größte Überraschung des Projekts.
Cargnello betonte, dass die unerwartete Qualität des Kohlenstoff-Nebenprodukts einen Weg zur heimischen Produktion eines Materials eröffnen könnte, das die USA derzeit aus dem Ausland importieren. Gleichzeitig wies er jedoch darauf hin, dass der erzeugte Graphit für anspruchsvolle Anwendungen wie Batteriematerialien noch nicht rein genug sei. „Das ist ein großer Schritt nach vorn“, sagte er, „aber es sind noch weitere Schritte und mehr Forschung erforderlich.“
Ein grundlegendes Molekül
Die Forscher betonten, wie wichtig es ist, nachhaltige Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff zu entwickeln – einem grundlegenden Molekül, von dem die meisten Menschen gar nicht wissen, dass sie darauf angewiesen sind. „Mindestens einige Prozentpunkte des BIP hängen von Wasserstoff ab, und wir werden ihn weiterhin herstellen, egal ob er umweltschädlich ist oder nicht“, fügte Moise hinzu.
Als Beispiel nannte er Düngemittel: Die Ammoniakproduktion hängt von Wasserstoff ab, und Düngemittel auf Ammoniakbasis tragen Schätzungen zufolge dazu bei, etwa die Hälfte der Weltbevölkerung zu ernähren. Wasserstoff hilft außerdem dabei, bei der Raffination Schwefel aus Benzin zu entfernen, und trägt zur Herstellung wichtiger Produkte wie Methanol bei. „Er ist so allgegenwärtig, dass er fast unsichtbar wird“, sagte er.
Die Forscher hoffen, dass das neue Verfahren den Weg für eine kostengünstige und saubere Wasserstoffproduktion ebnen und einem Produkt, das die Grundlage für viele wichtige Erzeugnisse des täglichen Lebens bildet, Nachhaltigkeit verleihen wird.
Cargnello betonte, dass das Projekt eine Gemeinschaftsleistung war, und hob die Beiträge des Teams von Eric McFarland an der University of California, Santa Barbara, hervor, das Daten zu Reaktoren im größeren Maßstab zur Verfügung stellte; des Mitautors Arun Majumdar, der das Team ermutigte, sich mit dem Problem auseinanderzusetzen; sowie von Moll, der sechs Monate lang im Labor an der Seite von Moise arbeitete. Darüber hinaus waren die zahlreichen Förderquellen von grundlegender Bedeutung für den Erfolg des Projekts, darunter die Kavli-Stiftung, der Carbon Hub an der Rice University, die Natural Gas Initiative an der Stanford University und das CO₂-Forschungszentrum an der Universität Aarhus in Dänemark.
Der Bedarf an Zusammenarbeit – und an Finanzierung – bestehe weiterhin, fügte Cargnello hinzu, da die nächsten Schritte von großer Tragweite seien, darunter die Ausweitung der Forschung und die Überprüfung ihrer Eignung für die serienmäßige Wasserstoffproduktion.
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