Wasserstoff: Auf dem Weg zur Erzeugung von grünem H2
Der Wunsch, auf nachhaltige Energiequellen umzusteigen und die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, wächst exponentiell. Kostengünstige erneuerbare Energiequellen (z. B. Sonne, Wind, Wasser) werden weltweit entwickelt und eingesetzt.
Diese Quellen sind jedoch von Natur aus variabel, was bedeutet, dass in Energiespeicher investiert werden muss, die nicht nur Stunden, sondern Tage oder sogar Jahreszeiten überdauern können. Eine der vielversprechendsten Arten der Energiespeicherung ist die Umwandlung von sauberem, erneuerbarem Strom in Wasserstoff. Wasserstoff wird in der Regel mit grüner Energie durch Elektrolyse erzeugt, d. h. durch die Abtrennung von Wasserstoff aus Wasser im Wasser, wobei kein CO2 freigesetzt wird und es sich somit um "grünes H2" handelt.
Entwicklung des grünen Wasserstoffs
Entwicklung, Nutzung und Investitionen in umweltfreundliches H2 sind weltweit auf dem Vormarsch. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten die Vorteile von Wasserstoff hervorgehoben Wasserstoff kann im Inland hergestellt werden... Wenn er zum Antrieb hocheffizienter Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge verwendet wird, verspricht Wasserstoff, die nationale Energiesicherheit zu stärken, Kraftstoff zu sparen und unsere Energieoptionen für den Verkehr zu diversifizieren, um ein widerstandsfähigeres System zu schaffen.
Wasserstoff-Forschung
Das Interesse an Wasserstoff als erneuerbare Energiequelle hat existiert seit Jahrzehntenaber erst in jüngster Zeit sind Forschung und Investitionen in Gang gekommen. Eine Initiative, Green Hydrogen Catapult InitiativeZiel ist es, die Produktion von grünem H2 in den nächsten Jahren um das 50-fache zu steigern, bei Kosten von etwa $2/kg. Das Stretch-Ziel ist $1/kg. Da Grünes H2 als Energieträger verwendet werden kann Energie- und Kraftstoffersatz für Elektrofahrzeuge, Heizung, Elektrizität und möglicherweise Züge, Flugzeuge und Busse wird der Ausbau von Green H2 auf bis zu 12% des Weltenergieverbrauchs bis 2050. Die weit verbreitete Nutzung von grünem H2 könnte neben dem Energiesystem auch die globalen Beziehungen verändern.
Gewinnung von Wasserstoff
Die Gewinnung von Wasserstoff für die Energienutzung ist jedoch eine traditionell teure Lösung. Flüssige alkalische Elektrolyseure (AEL) sind seit über 100 Jahren in Betrieb. Sie leiden jedoch unter der geringen Stromdichte (was große Systeme bedeutet) und einigen inhärenten Sicherheitsproblemen aufgrund der Verwendung konzentrierter Lauge. Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMEL) haben sich als eine kompaktere Option herausgestellt. Sie erfordern jedoch den Einsatz kostspieliger und seltener Materialien wie Platin und Iridium, und einige haben in Frage gestellt, wie skalierbar diese Technologie wirklich ist. Neue Forschungsergebnisse zu einer anderen Methode deuten jedoch darauf hin, dass diese Materialien möglicherweise gar nicht benötigt werden.
Wasserstofferzeugung über Elektrolyseure
Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (AEMEL) versprechen, die Vorteile von AEL und PEMEL zu vereinen. Sie verwenden eine Anionenaustauschmembran (AEM), die als Separator zwischen dem erzeugten H2 und O2 fungiert. Sie arbeiten bei hohem pH-Wert, was weniger Beschränkungen für das verwendete Material bedeutet, so dass kostengünstige Metalle als Katalysatoren und Stack-Komponenten verwendet werden können. Außerdem sind die Membranen in der Regel auf Kohlenwasserstoffbasis und nicht fluoriert, was ihre Herstellung billiger und umweltfreundlicher macht. Genauer gesagt ermöglichen AEMELs die Verwendung von Edelstahl oder Nickel als kostengünstigere und häufiger vorkommende alternative Materialien, woraus die Zusammenarbeit zwischen Technetics und der University of South Carolina (UofSC) entstand.
Neue Entwicklungen in der Wasserstoffproduktion
William E. Mustain, Ph.D., Professor für Chemieingenieurwesen an der UofSC, und ein Team von Forschern, darunter Mitglieder von Technetics Groupführte eine Reihe von Experimenten mit 14 kommerziellen und vorkommerziellen porösen Transportschichten (PTLs) in der AEMEL-Anode durch. Die PTLs wurden aus rostfreiem Stahl und Nickellegierungen hergestellt. Das primäre Ziel war es, die Eigenschaften zu bestimmen, die zur bestmöglichen AEMEL-Leistung führen - d. h. Niederspannungsbetrieb und Produktion von grünem H2 mit geringem Energieaufwand. In der Studie wurden elf der PTLs - einschließlich des leistungsstärksten - von der Technetics Group speziell entwickelt.
Das Technetics/USC-Team entwickelte ein Hastelloy PTL mit einer Dicke von weniger als 300 Mikrometern (< 0,3 mm) und einer Dichte zwischen 60-65%, die die besten Ergebnisse für die Wasserstoffabscheidung liefern würde. Daher wurde das Feltmetal FM515 von Technetics Groups auf eine Dicke gewalzt, die eine Dichte innerhalb des gewünschten Bereichs ergab. Diese Eigenschaften ermöglichten einen niedrigen elektrischen Widerstand, einen geringen Übergangswiderstand und einen optimalen Wasser- und Sauerstofftransport, während die Oberfläche gleichzeitig für die Abscheidung von Katalysatorschichten geeignet war. Die leistungsfähigste PTL erreichte eine Betriebsspannung von nur 1,64 V bei einem Betriebsstrom von 1,0 A/cm2, und die Betriebsspannung war immer noch < 2 V bei 3,5 A/cm2. Und die Zellen erreichten niedrige Spannungsabbauraten. Dies sind sehr vielversprechende Ergebnisse, die zu den besten gehören, die bisher für ein Elektrolyseursystem berichtet wurden.
