Neues Gerät kann Wasserstoff erzeugen, wenn es in Salzwasser getaucht wird

John Timmer - Nov 30, 2022 9:55 pm UTC

Da erneuerbare Energien immer billiger werden, besteht ein wachsender Bedarf an Möglichkeiten, sie wirtschaftlich zu speichern. Batterien können kurzfristige Stromflüsse in der Produktion bewältigen, sind jedoch möglicherweise nicht in der Lage, längerfristige Ausfälle oder saisonale Schwankungen der Leistungsabgabe zu bewältigen. Wasserstoff ist eine von mehreren Optionen, die in Betracht gezogen werden und das Potenzial haben, als längerfristige Brücke zwischen Perioden hoher erneuerbarer Produktivität zu dienen.

Aber Wasserstoff bringt seine eigenen Probleme mit sich. Die Gewinnung durch Wasserspaltung ist energetisch ziemlich ineffizient und die Lagerung über einen längeren Zeitraum kann eine Herausforderung sein. Die meisten wasserstoffproduzierenden Katalysatoren funktionieren auch am besten mit reinem Wasser – nicht unbedingt ein Produkt, das leicht zu beschaffen ist, da der Klimawandel die Intensität von Dürren verstärkt.

Eine in China ansässige Forschergruppe hat nun ein Gerät entwickelt, das beim Starten mit Meerwasser Wasserstoff abgeben kann – tatsächlich muss das Gerät im Meerwasser stehen, um zu funktionieren. Das Schlüsselkonzept, um es zum Laufen zu bringen, wird jedem bekannt sein, der weiß, wie die meisten wasserdichten Kleidungsstücke funktionieren.

Wasserdichte, atmungsaktive Kleidung basiert auf einer Membran mit sorgfältig strukturierten Poren. Die Membran besteht aus einem wasserabweisenden Material. Es hat Poren, die jedoch zu klein sind, um flüssiges Wasser durchzulassen. Aber sie sind groß genug, dass einzelne Wassermoleküle hindurchpassen. Dadurch bleibt das Wasser auf der Außenseite der Kleidung dort, während der verdunstende Schweiß auf der Innenseite dennoch durch den Stoff abfließt und nach außen gelangt. Dadurch ist der Stoff atmungsaktiv.

Eine ähnliche Membran ist für die Funktion des neuen Geräts von zentraler Bedeutung. Es verhindert, dass flüssiges Wasser durch die Membran gelangt, lässt jedoch Wasserdampf durch. Der große Unterschied besteht darin, dass sich auf beiden Seiten der Membran flüssiges Wasser befindet.

Draußen gibt es Meerwasser mit der üblichen Salzansammlung. Im Inneren befindet sich eine konzentrierte Lösung eines einzelnen Salzes – in diesem Fall Kaliumhydroxid (KOH) –, das mit dem wasserstofferzeugenden Elektrolyseprozess kompatibel ist. In die KOH-Lösung eingetaucht ist eine Reihe von Elektroden, die auf beiden Seiten eines Separators Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen und so die Gasströme rein halten.

Was passiert also, wenn die Hardware ihren Betrieb aufnimmt? Da das Wasser im Inneren des Geräts gespalten wird und dabei Wasserstoff und Sauerstoff entsteht, erhöht der reduzierte Wasserspiegel die Konzentration der KOH-Lösung (die anfangs viel konzentrierter war als Meerwasser). Dadurch ist es energetisch günstig für Wasser, aus dem Meerwasser durch die Membran zu wandern, um das KOH zu verdünnen. Und aufgrund der Poren ist das möglich, aber nur, wenn sich das Wasser in Dampfform bewegt.

Dadurch befindet sich das Wasser im Inneren der Membran kurzzeitig im Dampfstadium und wird dann im Inneren des Geräts schnell wieder flüssig. Das gesamte komplexe Salzgemisch im Meerwasser bleibt außerhalb der Membran zurück und die Elektroden, die es spalten, werden ständig mit Frischwasser versorgt. Entscheidend ist, dass all dies ohne den Energieaufwand erfolgt, der normalerweise mit der Entsalzung verbunden ist, wodurch der Gesamtprozess energieeffizienter ist als die Reinigung von Wasser für die Verwendung in einem Standard-Elektrolyseur.

Das hört sich im Prinzip alles super an, aber funktioniert es tatsächlich? Um das herauszufinden, baute das Team ein Gerät zusammen und setzte es im Meerwasser der Shenzhen Bay (einer Bucht nördlich von Hongkong und Macau) ein. Und nach fast allen vernünftigen Leistungskriterien hat es gut funktioniert.

Die Leistung blieb auch nach 3.200 Betriebsstunden erhalten, und die Elektronenmikroskopie der Membran nach der Verwendung ergab, dass die Poren zu diesem Zeitpunkt noch nicht verstopft waren. Das für das System verwendete KOH war nicht völlig rein und enthielt daher nur geringe Mengen der im Meerwasser vorkommenden Ionen. Diese Werte stiegen jedoch im Laufe der Zeit nicht an, was bestätigt, dass das System das Meerwasser aus der Elektrolysekammer fernhielt. Was die Energie betrifft, verbrauchte das System etwa so viel Energie wie ein herkömmlicher Elektrolyseur, was bestätigt, dass die Wasseraufbereitung keine energetischen Kosten verursachte.

Die KOH-Lösung war auch selbstausgleichend, da die Wasserdiffusion in das Gerät langsamer wurde, wenn die interne Lösung zu stark verdünnt wurde. Bei zu hoher Konzentration sinkt die Effizienz der Elektrolyse und die Wasserausscheidung verlangsamt sich.

Die Autoren schätzen, dass ihr Gerät Drücken bis zu einer Tiefe von etwa 75 Metern Meerwasser standhalten würde. Die Temperatur in diesen Tiefen könnte jedoch begrenzend sein, da die Diffusionsgeschwindigkeit des Wassers durch die Membran bei 30 °C sechsmal höher war als bei 0 °C.

Trotz all dieser guten Nachrichten gibt es Möglichkeiten zur Leistungsverbesserung. Verschiedene Salze außer KOH sind geeignet, und einige können möglicherweise eine bessere Leistung erbringen. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Einarbeitung von KOH in ein Hydrogel um die Elektroden die Wasserstoffproduktion steigerte. Schließlich ist es möglich, dass eine Änderung des Materials oder der Struktur der bei der Wasserspaltung verwendeten Elektroden die Sache noch weiter vorantreiben könnte.

Schließlich schlug das Team vor, dass dies neben der Wasserstoffproduktion auch für andere Zwecke nützlich sein könnte. Anstelle von Meerwasser tauchten sie eines der Geräte in eine verdünnte Lithiumlösung und stellten fest, dass 200 Betriebsstunden die Lithiumkonzentrationen um mehr als das 40-fache erhöhten, da Wasser in das Gerät eindrang. Es gibt viele andere Zusammenhänge, beispielsweise die Reinigung von verunreinigtem Wasser, in denen diese Art der Konzentrationsfähigkeit nützlich sein könnte.

Damit sind nicht alle Probleme gelöst, die mit der Nutzung von Wasserstoff als Energiespeichermedium verbunden sind. Aber es hat sicherlich das Potenzial, es uns zu ermöglichen, „braucht reines Wasser“ von der Liste dieser Probleme zu streichen.

Nature, 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05379-5 (Über DOIs).