Wasserspaltung selbst in der Wüste: Forschende haben ein Elektrolyse-System entwickelt, das grünen Wasserstoff ohne flüssiges Wasser erzeugen kann – allein mithilfe der Luftfeuchtigkeit. Diese Direct-Air-Elektrolyse absorbiert Wasserdampf aus der Luft und spaltet ihn elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff. Den Strom dafür erhält das Modul direkt von Solarzellen oder Windrädern. Im Praxistest erwies sich dieses System als autark, effizient und sehr robust, wie das Team in „Nature Communications“ berichtet.
Grüner Wasserstoff gilt als wichtiger Baustein der Energiewende. Er kann als Kraftstoff und Rohstoff verwendet werden, aber auch als chemischer Energiespeicher für überschüssigen Strom aus Wind und Photovoltaik dienen. Idealerweise wird das Gas dafür mittels Elektrolyse gewonnen – der elektrochemischen Wasserspaltung durch Solar- oder Windstrom. Dafür wird allerdings flüssiges Wasser benötigt – im Idealfall reines Süßwasser, aber auch für Meerwasser angepasste Anlagen gibt es schon.
Luftfeuchtigkeit als Wasserquelle
Was aber, wenn an einem Standort zwar reichlich Sonnen- oder Windenergie vorhanden ist, aber kein flüssiges Wasser? „Auf der Mehrheit der Kontinente ist das Potenzial von Solar- und Windenergie in den Gebieten am höchsten, wo Wassermangel herrscht“, erklären Jining Guo von der University of Melbourne und seine Kollegen. Eine Elektrolyse mit flüssigem Wasser würde diesen Wassermangel noch verschärfen – und den dort lebenden Menschen ihre Lebensgrundlage entziehen. Bisherige Karten des Power-to-Gas-Potenzials sparen diese Gebiete daher aus.
Aber selbst in solchen Trockenregionen gibt es eine bisher wenig genutzte Wasserressource: die Luft. „Selbst in der Wüste der Sahelzone liegt die relative Luftfeuchtigkeit in Schnitt bei rund 20 Prozent, am Uluru in der zentralen Wüste Australiens sind es 21 Prozent“, so die Forschenden. Sie haben daher ein Elektrolyse-System entwickelt, das statt flüssigem Wasser die Luftfeuchtigkeit zur Wasserspaltung nutzen kann.
„Dieses Direct-Air-Elektrolyse-Modul (DAE) kann selbst unter knochentrockenen Bedingungen mit nur vier Prozent Luftfeuchtigkeit arbeiten und grünen Wasserstoff unter minimalem Umwelteinfluss produzieren“, konstatieren die Wissenschaftler.
Hygroskopischer Elektrolyt als Kernkomponente
Konkret besteht das neue Elektrolyse-System aus zwei gitterförmigen Platinelektroden, die jeweils mit einem Gasauffangbehälter verbunden sind. Zwischen den Elektrodenplatten liegt ein dicker, schwammartiger Block aus Glaswolle, der mit einem flüssigen Elektrolyt getränkt ist. Der Clou dabei: Der Elektrolyt wirkt wasseranziehend und kann Wasserdampf aus der Luft absorbieren – er liefert dadurch auch das für die Wasserspaltung nötige Nass.
Im Test verwendete das Team Schwefelsäure (H2SO4) als Absorber-Eletrolyt. Denkbar wäre aber auch Kalilauge (KOH), die eine noch bessere Absorption zeigt. Weil sie aber mit dem Kohlendioxid der Luft reagiert, müsste dieses zuvor herausgefiltert werden, wie das Guo und seine Kollegen erklären. Den nötigen Strom für Elektrolyse liefert ein direkt mit dem System gekoppeltes Solarmodul – auch ein Windrad wäre aber möglich.
Zwölftägiger Praxistest im Freien
Wie gut die Direct-Air-Elektrolyse funktioniert, haben die Forschenden in Melbourne mit einem Prototypen aus fünf übereinander gestapelten Testmodulen und einer mit dem System verknüpften Solarzelle untersucht. Dieser DAE-Turm wurde zwölf Tage lang im Freien aufgestellt und bei relativen Luftfeuchtigkeiten zwischen 20 und 40 Prozent getestet. Das Team zeichnete währenddessen die Sonnenscheindauer, Solarstrom-Zufuhr und die produzierte Wasserstoffmenge auf.
Das Ergebnis: An einem ganztägig sonnigen Tag erhielt das DAE-Modul von seiner Solarzellen genug Strom, um 168 Milliliter Wasserstoff pro Stunde zu produzieren, auf den Tag gerechnet kamen 1,49 Liter zusammen. „Bei einer Kathodenfläche von einem Quadratmeter würde dies 745 Liter Wasserstoff pro Tag entsprechen“, berichten Guo und sein Team. Selbst an einem zur Hälfte wolkenverhangenen Tag erzeugte der DAE-Prototyp trotz deutlich geringerer Stromzufuhr noch 1,2 Liter Wasserstoff.
Insgesamt erreichte das System bei dem zwölftägigen Test nach Angaben des Teams einen Faradayschen Wirkungsgrad von rund 95 Prozent für den Wasserstoff. Das mit diesem Elektrolyse-System erzeugte Gas hatte zudem eine Reinheit von mehr als 99 Prozent, wie Gaschromatografie-Messungen ergaben.
Kombinierbar mit Solar- und Windenergie
„Damit haben wir eine Methode demonstriert, die hochreinen Wasserstoff aus der Luft erzeugen kann, indem sie einen hygroskopischen Elektrolyten in einem porösen Medium als Feuchtigkeits-Absorber nutzt“, konstatieren die Wissenschaftler. In seiner Kombination von Gasreinheit und Effizienz sei das neue DAE-System bisherigen Verfahren der Elektrolyse oder der photokatalytischen Wasserspaltung auf Basis von Wasserdampf überlegen.
Positiv auch: Das DAE-System arbeitet autonom und kann im Prinzip sich selbst überlassen bleiben. „Nachdem der Prototyp acht Monate lang ohne jede Wartung im Freien geblieben war, lag sein Faradayscher Wirkungsgrad beim Wasserstoff noch immer bei rund 90 Prozent“, berichten Guo und sein Team. In einem ergänzenden Praxistest koppelten sie ein DAE-Modul mit einer kleinen Windturbine statt einer Solarzelle – und auch damit funktionierte die Wasserstoff-Produktion.
Mehr Potenzial für die Produktion von grünem Wasserstoff
Nach Ansicht der Forschenden eröffnet die Direct-Air-Elektrolyse neue Möglichkeiten, grünen Wasserstoff unabhängig von flüssigem Wasser zu erzeugen – direkt aus der Luftfeuchtigkeit. Bei Tests in Klimakammern funktionierte die Wasserabsorption durch die Schwefelsäure bis hinunter zu einer minimalen Luftfeuchtigkeit von nur vier Prozent. Das System könnte daher überall dort eingesetzt werden, wo Strom aus Sonne und Wind im Überfluss vorhanden ist.
„Solche DAE-Farmen haben das Potenzial, reichlich Wasserstoff selbst in ariden und semi-ariden Regionen zu generieren – mit minimalen Eingriffen in Umwelt und regionale Luftfeuchtigkeit“, konstatieren Guo und sein Team. Weil das DAE-System modular angelegt ist, ist es zudem je nach Bedarf skalierbar und kann mit verschiedenen erneuerbaren Stromquellen verknüpft werden. (Nature Communications, 2022; doi: 10.1038/s41467-022-32652-y)
Quelle: Nature Communications
