Kleine Blasen können den Stromverbrauch für die Herstellung von grünem Wasserstoff um mehr als 50 % erhöhen.

Grüner Wasserstoff weist ein erhebliches Problem auf: Seine Herstellung erfordert große Mengen an Elektrizität, was seine Kosten in die Höhe treibt und es erschwert, mit anderen Energiealternativen zu konkurrieren. Deshalb sind alle Fortschritte, die einen geringeren Stromverbrauch der Elektrolyseure ermöglichen, besonders wichtig für die Zukunft dieser Technologie.

Jetzt haben ein Forschungsteam der Cornell University in den Vereinigten Staaten sowie der City University of Hong Kong eine der Ursachen für diesen Energieverlust identifiziert. Interessanterweise liegt das Problem bei etwas so Kleinem wie den Blasen, die während des Wasserelektrolyse-Prozesses entstehen.

Wissenschaftler haben ein dreidimensionales Computersystem entwickelt, mit dem untersucht werden kann, wie diese Blasen die Funktionsweise der Elektrolyseure beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass sie bei Erreichen einer bestimmten Größe zu einem Anstieg der elektrischen Spannung um mehr als 50 % führen können, die zur Aufrechterhaltung der Reaktion benötigt wird, was wichtige Verbesserungen bei der Konstruktion dieser Geräte ermöglicht.

Das Problem der Blasen bei der Herstellung von grünem Wasserstoff

Zur Herstellung von grünem Wasserstoff wird Strom aus erneuerbaren Quellen wie Solarenergie oder Windenergie verwendet, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Dieser Prozess, der als Elektrolyse bezeichnet wird, erfolgt mithilfe von Geräten, die Elektrolyseure genannt werden.

Während des Betriebs bilden sich an der Oberfläche der Elektroden kleine Blasen aus den entstehenden Gasen. Diese Blasen wachsen, bis sie sich lösen und durch die Flüssigkeit aufsteigen, können aber solange sie haften, den Kontakt des Wassers mit den Bereichen, in denen chemische Reaktionen stattfinden, erschweren.

Dadurch wird ein Teil der aktiven Oberfläche blockiert, was den Widerstand gegen den Stromfluss erhöht. Infolgedessen muss der Elektrolyseur einen höheren Spannungsdruck anwenden, um dieselbe Menge an Wasserstoff zu erzeugen, was den Stromverbrauch des Prozesses erhöht.

Bis jetzt hatten die Forscher versucht, dieses Problem zu verringern, indem sie die Form der Elektroden, ihre Materialien sowie die Wasserverteilung änderten. Es erwies sich jedoch als schwierig, genau zu berechnen, wie sehr jede Blase die Energieeffizienz beeinflusste.

Eine Entdeckung, die den Stromverbrauch erheblich senken kann

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher ein dreidimensionales mathematisches Modell entwickelt, das das Verhalten der Blasen auf den Elektroden nachbildet. Dieses Werkzeug ermöglicht es, mikroskopische Prozesse zu analysieren und herauszufinden, wie sie die elektrischen Anforderungen des Systems beeinflussen.

Die Ergebnisse haben es ermöglicht, eine kritische Blasengröße zu identifizieren, ab der die Verluste schnell ansteigen. Wenn die Blasen unter diesem Schwellenwert bleiben, kann die zusätzliche Spannungssteigerung bei etwa 3 % liegen.

Sobald sie jedoch diese Größe überschreiten, steigen die Spannungsanforderungen exponentiell an. Unter bestimmten Bedingungen stellten die Forscher fest, dass bereits eine einzige Blase zu einer Steigerung der erforderlichen Spannung um mehr als 50 % führen kann.

Der Schlüssel liegt darin, sicherzustellen, dass die Blasen vor Erreichen dieser kritischen Größe von den Elektroden abgelöst werden. Dafür schlagen die Wissenschaftler vor, neue Geometrien und Oberflächen zu entwickeln, die deren Entfernung erleichtern und so die Energieverluste bei der Wasserstoffherstellung verringern.

Ein 1.000-mal schnelleres Modell zur Entwicklung effizienter Elektrolyseure

Ein weiterer besonders interessanter Aspekt der Forschung ist das verwendete Computersystem. Die Wissenschaftler konnten ein System entwickeln, das als digitales Zwilling eines Elektrolyseurs fungiert und dessen Materialien, Geometrie sowie Betriebsbedingungen nachbildet.

Dank dieses Modells können sie das Verhalten der Blasen untersuchen und verschiedene Designs testen, ohne jedes Prototypen physisch herstellen zu müssen. Zudem konnten sie die Rechenlast um etwa 1.000 Mal verringern, während die Genauigkeit der Berechnungen erhalten blieb.

Der nächste Schritt wird darin bestehen, die Simulationen zu erweitern, um zu analysieren, wie mehrere Blasen miteinander interagieren, wie sie wachsen und wie sie sich zusammenschließen. Zudem möchten sie diese Technologie mit Optimierungswerkzeugen und 3D-Druckverfahren kombinieren, um Elektroden zu entwickeln, die den Ausstieg der Gase erleichtern.

Ein wichtiger Fortschritt zur Senkung der Kosten für grünes Wasserstoff

Die Bedeutung dieser Entdeckung hängt direkt mit den Produktionskosten zusammen. Derzeit erfordert die Herstellung eines Kilograms Wasserstoff durch Elektrolyse in der Regel zwischen 50 und 60 kWh Strom, abhängig von der verwendeten Technologie.

Das bedeutet, dass bei einem Strompreis von 50 Euro/MWh allein der Stromkostenanteil zwischen 2,50 und 3 Euro pro Kilogramm hergestellten Wassers liegt. Zu dieser Summe müssen noch die Investitionen in die Elektrolyseure, deren Wartung sowie weitere Betriebskosten hinzugefügt werden.

Daher kann eine Steigerung der Energieeffizienz einen erheblichen Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit dieser Technologie haben, insbesondere in großen Industrieanlagen, die jährlich Tausende Tonnen Wasserstoff produzieren.

Der von Cornell entwickelte Fortschritt eröffnet einen neuen Weg, dies zu erreichen. Anstatt sich ausschließlich auf neue Materialien oder Elektrolysetechnologien zu konzentrieren, haben die Forscher nachgewiesen, dass die Optimierung der Bildung und Entfernung von Blasen entscheidend sein kann, um den Stromverbrauch zu senken.

Eine Verbesserung, die dazu beitragen könnte, grünen Wasserstoff in Bereichen wie der Stahlindustrie, der Chemieindustrie oder der Düngemittelherstellung wettbewerbsfähiger zu machen, wo der Ersatz von aus fossilen Brennstoffen gewonnenem Wasserstoff eine der großen Herausforderungen bei der Dekarbonisierung darstellt.

Quelle | Pubs.rsc