MIT-Verfahren verbilligt Wasserstoffproduktion
MIT-Verfahren verbilligt Wasserstoffproduktion – Statt hoher Temperaturen reichen künftig rund 200 Grad Celsius – Wasserstoff gilt als wichtiger Baustein für eine klimafreundlichere Energieversorgung – doch seine Herstellung, Speicherung und vor allem der Transport sind bislang mit hohen Kosten verbunden.
Ein neues Verfahren des Massachusetts Institute of Technology (MIT) könnte nun zumindest bei der Rückgewinnung von Wasserstoff einen entscheidenden Schritt nach vorne bringen. Die Forscher haben eine elektrochemische Methode entwickelt, mit der sich Wasserstoff aus Ammoniak bei deutlich niedrigeren Temperaturen gewinnen lässt. Statt der hohen Temperaturen klassischer Verfahren soll der Prozess bereits bei rund 200 bis 300 Grad Celsius funktionieren.
Ammoniak als Wasserstoffspeicher
Der entscheidende Ansatzpunkt ist Ammoniak (NH₃). Die chemische Verbindung lässt sich vergleichsweise einfach speichern, verflüssigen und transportieren und wird deshalb zunehmend als möglicher Träger für Wasserstoff betrachtet. Während reiner Wasserstoff aufwendig komprimiert oder verflüssigt werden muss, kann Ammoniak mit der bestehenden Infrastruktur über größere Entfernungen transportiert werden. Am Zielort wird der Wasserstoff anschließend wieder aus dem Ammoniak herausgelöst.
Genau hier liegt allerdings bislang ein großes Problem: Das sogenannte Ammoniak-Cracking benötigt erhebliche Energiemengen. Bei herkömmlichen thermokatalytischen Verfahren sind hohe Temperaturen notwendig, um die chemischen Bindungen aufzubrechen. Für hohe Reaktionsgeschwindigkeiten und Umwandlungsraten liegen die benötigten Temperaturen typischerweise deutlich über 500 Grad Celsius.
Das MIT-Team verfolgt deshalb einen anderen Weg: Elektrizität wird eingesetzt, um die Abtrennung des Wasserstoffs gezielt voranzutreiben.
Elektrischer „Sog“ für Wasserstoff
Herzstück des neuen Systems ist eine palladiumbasierte Membran, die Wasserstoff selektiv durchlässt. Kombiniert wird sie mit einer Elektrode und einem geschmolzenen Hydroxid-Elektrolyten. Ammoniak wird zunächst mithilfe eines Katalysators aus Ruthenium und Cäsium dehydriert. Der dabei entstehende Wasserstoff wird anschließend elektrochemisch durch die Membran transportiert.
Der entscheidende Vorteil: Der Wasserstoff wird nicht erst am Ende des Prozesses aus einem Gasgemisch herausgefiltert. Er wird bereits während der Reaktion kontinuierlich abgezogen und gleichzeitig konzentriert. Dadurch entsteht ein hochreiner Wasserstoffstrom, der keine zusätzliche aufwendige Reinigung benötigt.
Nach Angaben der Forscher kann der Prozess dadurch bei Temperaturen von etwa 200 bis 300 Grad Celsius betrieben werden. In den Experimenten wurde bei 250 Grad Celsius eine Ammoniak-Umwandlung von bis zu 91 Prozent erreicht. Bei 300 Grad Celsius konnte die Wasserstofftrennung gegenüber einem rein druckgetriebenen Verfahren zudem um den Faktor vier gesteigert werden.
Potenzial für eine neue Wasserstofflogistik
Die Bedeutung des Verfahrens geht damit über eine reine Einsparung bei der benötigten Prozesstemperatur hinaus. Wenn Wasserstoff künftig effizienter aus einem gut transportierbaren Energieträger wie Ammoniak gewonnen werden kann, könnte dies neue Möglichkeiten für die Versorgung von Industrie, Mobilität und Energieanlagen eröffnen.
Besonders interessant ist das für Anwendungen, bei denen hochreiner Wasserstoff benötigt wird. Dazu zählen beispielsweise Brennstoffzellen, chemische Produktionsprozesse oder die Halbleiterindustrie. Auch Fahrzeuge, Busse und Schiffe könnten nach Vorstellung der Forscher von einer solchen Technologie profitieren.
Allerdings steht die Entwicklung noch am Anfang. Das MIT bezeichnet die Arbeit als Machbarkeitsnachweis. Ein wesentlicher Kostenfaktor ist beispielsweise das verwendete Palladium, das als vergleichsweise teures Metall gilt. Die Forscher arbeiten deshalb bereits daran, die benötigte Palladiummenge zu reduzieren und das Verfahren für größere Anlagen zu skalieren.
Der Zeitpunkt für solche Innovationen ist günstig: Weltweit steigen die Investitionen in Wasserstofftechnologien, gleichzeitig bremsen bislang hohe Produktionskosten den breiten Einsatz. Nach aktuellen Zahlen des Hydrogen Council wurden inzwischen mehr als 130 Milliarden Dollar in Projekte für sauberen Wasserstoff investiert. Hohe Kosten gelten jedoch weiterhin als eine der größten Hürden für die Marktdurchdringung.
Das MIT-Verfahren könnte deshalb einen wichtigen Baustein liefern. Nicht indem es Wasserstoff grundsätzlich neu erfindet, sondern indem es dessen Rückgewinnung aus einem gut transportierbaren Energieträger deutlich effizienter machen soll. Ausgerechnet ein wenig Strom könnte dabei künftig helfen, sehr viel Hitze einzusparen.
