Wasserstoff wird zunehmend als Schlüsselelement zukünftiger Energienachhaltigkeit anerkannt und bietet das Potenzial für eine drastische Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Seine Fähigkeit, als Energiequelle nur Wasser freizusetzen, ohne schädliche Kohlenstoffverbindungen, stellt ihn in den Mittelpunkt der globalen Bemühungen zur Dekarbonisierung. Trotz dieser bemerkenswerten Eigenschaften stützen sich die heute dominierenden Methoden zur Wasserstoffgewinnung weitgehend auf fossile Brennstoffe, wodurch der gesamte Lebenszyklus dieses Energieträgers mit einer erheblichen ökologischen Schuld belastet wird. Dieses Paradoxon der „schmutzigen“ Produktion von „sauberem“ Brennstoff stellt eines der Haupthindernisse auf dem Weg zu einer wirklich grünen Wasserstoffwirtschaft dar.

Innovativer Ansatz zur Wasserstoffproduktion vom MIT

Jüngste wissenschaftliche Errungenschaften bieten Licht am Ende des Tunnels. Ein Expertenteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ein revolutionäres Verfahren vorgestellt, das die Art und Weise, wie wir Wasserstoff produzieren, grundlegend verändern und seinen CO2-Fußabdruck deutlich reduzieren könnte. Ihre Methode, die die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der Industrie auf sich gezogen hat, verwendet leicht verfügbare Materialien: Meerwasser und recycelte Aluminiumdosen, unter Zusatz einer geringen Menge einer spezifischen Metalllegierung. Im vergangenen Jahr demonstrierten Forscher das Grundkonzept auf Laborebene und zeigten, dass es möglich ist, Wasserstoffgas durch die Kombination dieser Komponenten zu erzeugen, wobei in einigen frühen Experimenten sogar Koffein einbezogen wurde, um die Auswirkungen verschiedener Substanzen zu untersuchen. Die entscheidende Frage, die sich damals jedoch stellte, war, ob dieses vielversprechende Verfahren effizient von Laborbedingungen auf industriellen Maßstab übertragen werden könnte und welche tatsächlichen Umweltauswirkungen es hätte, wenn alle Produktions- und Vertriebsschritte berücksichtigt würden.

Um diese kritischen Fragen zu beantworten, führten Wissenschaftler eine umfassende Lebenszyklusanalyse (LCA) durch, eine Methodik, die die Umweltauswirkungen eines Produkts oder Prozesses „von der Wiege bis zur Bahre“ bewertet. Diese detaillierte Studie umfasste jedes Segment des Prozesses in einer potenziellen industriellen Anwendung. Die mit der Beschaffung und Verarbeitung von Aluminium, der chemischen Reaktion von Aluminium mit Meerwasser zur Wasserstoffgewinnung und dem Transport des erzeugten Kraftstoffs zu den Endverbrauchern, beispielsweise zu Tankstellen, an denen Autofahrer ihre Wasserstoffautos betanken könnten, verbundenen Kohlenstoffemissionen wurden präzise berechnet. Die Ergebnisse zeigten, dass dieser neue Ansatz nur einen Bruchteil der Kohlenstoffemissionen erzeugen könnte, die für konventionelle, auf fossilen Brennstoffen basierende Wasserstoffproduktionsmethoden charakteristisch sind.

Minimaler CO2-Fußabdruck durch Studie bestätigt

In der Studie, deren Ergebnisse kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Cell Reports Sustainability veröffentlicht wurden, berichtete das Team, dass für jedes mit diesem Verfahren produzierte Kilogramm Wasserstoff während des gesamten Lebenszyklus nur 1,45 Kilogramm Kohlendioxid erzeugt würden. Diese Zahl wird besonders beeindruckend, wenn man sie mit traditionellen Methoden wie der Dampfreformierung von Methan vergleicht, die etwa 11 Kilogramm Kohlendioxid pro Kilogramm gewonnenem Wasserstoff emittieren. Ein derart geringer CO2-Fußabdruck reiht die neue Technologie neben andere vorgeschlagene „grüne“ Wasserstoffproduktionsmethoden ein, wie beispielsweise die Wasserelektrolyse mit Solar- oder Windenergie, und positioniert sie als ernsthaften Konkurrenten im Rennen um eine nachhaltige Wasserstoffproduktion.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir mit den bestehenden grünen Wasserstofftechnologien gleichauf liegen“, sagte der Hauptautor der Studie, Dr. Aly Kombargi, der kürzlich am MIT im Bereich Maschinenbau promovierte. „Diese Arbeit unterstreicht das enorme Potenzial von Aluminium als saubere Energiequelle und bietet einen skalierbaren Weg zur Implementierung von emissionsarmem Wasserstoff im Transportsektor und zur Versorgung entfernter Energiesysteme.“ Neben Dr. Kombargi gehören zu den Koautoren der Studie vom MIT Brooke Bao, Enoch Ellis und Professor für Maschinenbau Douglas Hart, dessen Fachwissen zur Entwicklung und Bewertung dieses innovativen Prozesses beitrug.

Die Wissenschaft hinter dem Prozess: Wie Aluminium Wasserstoff freisetzt

Auf den ersten Blick löst das Eintauchen einer Aluminiumdose in Wasser keine heftige chemische Reaktion aus. Der Grund dafür liegt darin, dass Aluminium, wenn es dem Luftsauerstoff ausgesetzt wird, sofort eine dünne, aber sehr widerstandsfähige Schutzschicht aus Aluminiumoxid bildet. Diese Passivierungsschicht verhindert eine weitere Reaktion des Metalls. Würde diese Schicht jedoch entfernt oder durchbrochen, zeigt reines Aluminium eine außerordentliche Reaktivität mit Wasser. Unter solchen Bedingungen zersetzen Aluminiumatome effizient Wassermoleküle (H₂O), wobei Aluminiumoxid (oder seine hydratisierten Formen wie Böhmit) entsteht und, was am wichtigsten ist, reines Wasserstoffgas (H₂) freigesetzt wird. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von Aluminium liegt in seiner hohen Energiedichte.

„Einer der Hauptvorteile der Verwendung von Aluminium ist seine Energiedichte pro Volumeneinheit“, erklärt Dr. Kombargi. „Mit einer sehr geringen Menge an Aluminiumbrennstoff ist es theoretisch möglich, einen erheblichen Teil der Energie bereitzustellen, die zum Antrieb eines Wasserstofffahrzeugs benötigt wird.“

Innovative Methode zur Aktivierung von Aluminium

Im Laufe des letzten Jahres haben Dr. Kombargi und Professor Hart ein Rezept zur Wasserstoffproduktion auf Aluminiumbasis perfektioniert. Der Schlüssel zu ihrem Erfolg liegt in der Methode, die natürliche Schutzschicht des Aluminiums zu durchbrechen. Sie entdeckten, dass sie durch die Behandlung von Aluminium mit einer geringen Menge Gallium-Indium, einer Legierung, die die seltenen Metalle Gallium und Indium enthält, die Aluminiumoberfläche effektiv „reinigen“ und das reine Metall freilegen konnten. Nach einer solchen Behandlung mischten die Forscher Pellets des so vorbereiteten Aluminiums mit Meerwasser und beobachteten eine sofortige und reichliche Produktion von reinem Wasserstoff. Darüber hinaus zeigte sich, dass das Vorhandensein von Salz im Meerwasser die Ausfällung und Abtrennung von Gallium-Indium nach der Reaktion unterstützt. Dies bedeutet, dass diese wertvolle Legierung gesammelt und in nachfolgenden Wasserstoffproduktionszyklen wiederverwendet werden kann, was den Prozess nicht nur nachhaltiger, sondern aufgrund des geringeren Verbrauchs teurer Metalle auch wirtschaftlicher macht.

„Als wir die wissenschaftliche Grundlage dieses Prozesses auf Konferenzen vorstellten, bezogen sich die häufigsten Fragen, die wir erhielten, auf die Kosten und den CO2-Fußabdruck“, erinnert sich Dr. Kombargi. „Deshalb haben wir uns entschieden, eine umfassende Analyse durchzuführen, um ein klares Bild zu erhalten.“

Nachhaltiger Kreislauf und wirtschaftliche Perspektive

In ihrer neuen Studie führten Dr. Kombargi und seine Kollegen eine detaillierte Lebenszyklusanalyse durch, um die Umweltauswirkungen der Wasserstoffproduktion mittels Aluminium zu quantifizieren, wobei jeder Schritt verfolgt wurde – von der Aluminiumquelle bis zum Transport des Endprodukts, Wasserstoff. Zur praktischen Veranschaulichung und zum Vergleich wählten sie die Produktion von einem Kilogramm Wasserstoff als Referenzeinheit. „Mit einem Kilogramm Wasserstoff kann ein Brennstoffzellenauto je nach Effizienz der Brennstoffzellen selbst zwischen 60 und 100 Kilometer weit fahren“, bemerkt Dr. Kombargi und betont die praktische Relevanz dieser Menge.

Die Analyse wurde mit einem speziellen Software-Tool namens Earthster durchgeführt, einer Online-Plattform zur Lebenszyklusbewertung, die eine umfangreiche Datenbank mit Produkten, Prozessen und den damit verbundenen Kohlenstoffemissionen verwendet. Das Team zog mehrere verschiedene Szenarien für die Wasserstoffproduktion mit Aluminium in Betracht. Sie verglichen die Verwendung von „Primäraluminium“, das durch Bauxitabbau und energieintensive Verarbeitung gewonnen wird, mit der Verwendung von „Sekundäraluminium“, das durch das Recycling von Aluminiumabfallprodukten wie Dosen gewonnen wird. Sie analysierten auch verschiedene Methoden zum Transport von Aluminium und dem erzeugten Wasserstoff.

Nach der Bewertung von einem Dutzend verschiedener Szenarien wurde dasjenige mit dem niedrigsten CO2-Fußabdruck identifiziert. Dieses optimale Szenario basiert auf der Verwendung von recyceltem Aluminium – einem Rohstoff, dessen Verwendung die Emissionen im Vergleich zur Primäraluminiumproduktion erheblich reduziert – und Meerwasser, einer natürlichen Ressource, die nicht nur leicht verfügbar ist, sondern auch eine effiziente Abtrennung und Wiederverwertung von Gallium-Indium ermöglicht, wodurch Ressourcen gespart und Kosten gesenkt werden. Es wurde festgestellt, dass dieses Szenario, in seiner Gesamtheit betrachtet, von der Rohstoffbeschaffung bis zur Wasserstofflieferung, etwa 1,45 Kilogramm Kohlendioxid pro Kilogramm produziertem Wasserstoff erzeugen würde. Sie berechneten auch, dass der Preis für so produzierten Kraftstoff etwa 9 US-Dollar pro Kilogramm betragen würde, was mit den Preisen für Wasserstoff konkurrenzfähig ist, der mit anderen grünen Technologien, wie z.B. solchen, die Wind- oder Sonnenenergie nutzen, hergestellt würde.

Vision für die kommerzielle Anwendung und Weiterentwicklung

Die Forscher prognostizieren, dass die Produktionskette, sollte dieser kohlenstoffarme Prozess zur kommerziellen Reife gelangen, etwa so aussehen könnte: Sie würde mit der Sammlung von Aluminiumabfällen aus Recyclingzentren beginnen. Dieses Aluminium würde dann zu kleinen Pellets zerkleinert und mit einer Gallium-Indium-Legierung behandelt. Einer der wesentlichen Vorteile besteht darin, dass Fahrer oder Händler diese vorbehandelten Aluminiumpellets als „Aluminiumbrennstoff“ transportieren könnten, anstatt Wasserstoff direkt zu transportieren, der als Gas flüchtig ist, spezielle Hochdrucktanks oder kryogene Bedingungen erfordert und potenziell gefährlich in der Handhabung ist. Diese Pellets würden zu „Wasserstoffstationen“ transportiert, die idealerweise in der Nähe einer Meerwasserquelle liegen würden. An diesen Stationen würden die Aluminiumpellets je nach Bedarf mit Meerwasser vermischt, wodurch Wasserstoff vor Ort erzeugt würde. Der Endverbraucher könnte dann das erzeugte Gas direkt in sein Fahrzeug tanken, sei es ein Auto mit einem für Wasserstoff angepassten Verbrennungsmotor oder ein Brennstoffzellenfahrzeug.

Der gesamte Prozess erzeugt auch ein Nebenprodukt auf Aluminiumbasis, das Mineral Böhmit (Aluminiumoxidhydroxid, γ-AlO(OH)). Böhmit ist ein wertvoller industrieller Rohstoff, der häufig bei der Herstellung von Halbleitern, elektronischen Bauteilen, Katalysatoren, feuerfesten Materialien sowie als Füllstoff in Kunststoffen und Gummi verwendet wird. Dr. Kombargi weist darauf hin, dass dieses Nebenprodukt, wenn es nach der Wasserstoffproduktion gesammelt würde, an Hersteller dieser Materialien verkauft werden könnte, wodurch die Gesamtkosten des Wasserstoffproduktionsprozesses weiter gesenkt und seine wirtschaftliche Nachhaltigkeit erhöht würden.

„Es gibt viele Aspekte zu berücksichtigen“, sagt Dr. Kombargi. „Aber der aufregendste Teil ist, dass der Prozess funktioniert. Und wir haben gezeigt, dass er ökologisch nachhaltig sein kann.“

Die Gruppe von Wissenschaftlern setzt die Weiterentwicklung und Verfeinerung dieses Prozesses fort. Kürzlich entwarfen sie einen kleinen, tragbaren Reaktor, etwa so groß wie eine Wasserflasche, der Aluminiumpellets und Meerwasser zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet. Die erzeugte Wasserstoffmenge reicht aus, um ein Elektrofahrrad mehrere Stunden lang mit Strom zu versorgen. Zuvor hatten sie bereits demonstriert, dass der Prozess genügend Wasserstoff produzieren kann, um ein kleines Auto anzutreiben. Das Team untersucht auch aktiv die Möglichkeiten der Anwendung dieser Technologie unter Wasser und arbeitet an der Konstruktion eines Wasserstoffreaktors, der das umgebende Meerwasser zur Versorgung kleiner Schiffe oder Unterwasserfahrzeuge nutzen würde, was neue Horizonte für autonome Unterwasseroperationen eröffnet. Diese Forschung wird teilweise durch das MIT Portugal Program unterstützt, eine Initiative, die Zusammenarbeit und Innovation fördert.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology