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ForschungWie Wasserstoff aus Meerwasser gewonnen werden kann

Die Elektrolyse spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff
In einem elektrochemischen Prozess wird bei der Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten (Foto: © DLR / Thomas Ernsting)

Die Elektrolyse von Meerwasser könnte Wasserstoff als Energieträger der Zukunft zum Durchbruch verhelfen. Denn Trinkwasser ist weltweit ein kostbares Gut. Noch steht die Wissenschaft vor einigen Herausforderungen – jedoch zeichnen sich Lösungen ab.

14.05.2020 – Ein wesentlicher Eckpfeiler einer klimaneutralen Energieversorgung könnte zukünftig der Energieträger Wasserstoff werden. Bisher steht die Wissenschaft dabei noch immer vor großen Herausforderungen. Geforscht wird seit mehreren Jahrzehnten, ein Durchbruch blieb bisher aus. Am ehesten scheint die Zukunft von Wasserstoff nach wie vor in der Automobilindustrie zu liegen.

Idealerweise wird die Elektrolyse von Wasser durch erneuerbare Energiequellen wie Sonne, Wind, Wasser oder Geothermie angetrieben. Bei diesem chemischen Prozess entstehen dann völlig emissionsfrei Wasserstoff und Sauerstoff. Bisher benötigt man für dieses eh schon aufwendige und kostenintensive Verfahren jedoch Wasser in Trinkwasserqualität – ein global immer kostbareres Gut.

Deshalb hat Peter Strasser, Leiter des Fachgebiets Technische Chemie an der TU Berlin, zusammen mit einem internationalen Forscherteam die Möglichkeiten und technischen Herausforderungen der Elektrolyse von Salzwasser untersucht. Vor wenigen Tagen erschien ihr Ergebnis in der renommierten Fachzeitschrift Nature Energy.

Das Problem mit Wasserstoff

Die Ausgangssituation: Wird Wasserstoff aus der solarbetriebenen Elektrolyse von Wasser gewonnen, ist dieser eine CO2-neutrale Energiequelle, die sowohl gespeichert als auch weitertransportiert werden kann. Für dieses Verfahren eignen sich vor allem Gegenden auf der Welt, die über eine besonders hohe solare Ausbeute verfügen.

Das Problem: Genau in diesen Gegenden herrscht häufig eine große Wasserknappheit, weswegen Trinkwasser ein viel zu kostbares Gut ist. Die Aufreinigung von Salzwasser ist wiederum ein sehr kostenintensiver Prozess, bei dem auch noch viele CO2-Emissionen freigesetzt werden. Dieses Verfahren wäre nicht nur unwirtschaftlich, sondern auch noch klimaschädlich.

Die Lösung: Eine Elektrolyse-Technologie, die Salzwasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet – ohne einen vorherigen Entsalzungsschritt. „Nach unserer Analyse müsste sich künftige Forschung zum einen auf die Verwendung von neuartigen Katalysatormaterialien, aber auch geeigneter Membrane konzentrieren“, so Strasser. Bisher verwendete Membranen könnten die Salzverunreinigungen des Wassers nicht blockieren.

Mangrovenwurzeln als Vorlage

Deshalb erachten die Chemiker die Nachempfindung aus der Natur als einen sinnvollen Ansatz. Hierbei werden Membranen aus bestimmten Pflanzen wie etwa den Mangrovenwurzeln nachempfunden, die das Meerwasser filtern. Bei einem Einsatz ähnlicher Membranen in der technischen Elektrolyse könnte die Salzkonzentration auf der Oberfläche der katalytischen Elektroden verringert und dadurch Membranverschmutzungen reduziert werden.

„Im Rahmen unserer Studie haben wir gezeigt, dass die Entwicklung neuer selektiver Katalysatoren und spezieller Membrantechnologie wichtige Schritte hin zu einer Hochleistungs-Salzwasser-Elektrolyse sind und zukünftig stärker beforscht werden sollten“, so Peter Strasser. Die Verwendung von Trinkwasser zur Erzeugung von Wasserstoff werde auf Dauer keine praktikable Option sein, so der Chemiker weiter. jk


Kommentare

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Denkender Bürger 14.05.2020, 23:58:44

Gut gemeint - aber dummerweise ist das Bessere der Tod des Guten.

Und das Bessere hat in diesem fall sogr einen Nemaen:

Power to Gas

 

https://de.wikipedia.org/wiki/Power-to-Gas

 

Auf diesem Weg erzeugtes Methan hat erdgasähnliche Eigenschaften.

Man könnte es daher problemlos Speichern, zum Transport das vorhandene Gasleitungsnetz verwenden und es wäre insbesondere auch unproblemtisch für Heizungsanlagen und sogar für Verbrennungsmotoren verwendbar - man müßte diese nur entsprechend umrsten bzw. nachrüsten. Was aber mit überschaubarem Aufwand und überschaubaren Kosten technisch schon heute möglich wäre.

Warum muß man etwas verkomplizieren, was man viel einfacher haben könnte?!

Weiterer Denkender Bürger 15.05.2020, 11:56:45

+59 Gut

Die Herstellung von Methan mittels Power-to-Gas ist umständlicher und nicht einfacher als die Herstellung von Wasserstoff. Synthetisches Methan benötigt nämlich neben der Elektrolyse des Wasserstoffs den weiteren Umwandlungsschritt zu Methan, der Kosten und Effizienzverluste verursacht.

Die selben Probleme bzgl. der Elektrolyse von Salzwasser, die im Artikel beschrieben werden, treten auch bei der Synthese von Methan auf.

Es mag sein, dass das synthetische Methan in vorhandene Systeme besser verwendbar ist. Mir stellt sich jedoch die Frage der Klimafreundlichkeit, wenn der Kraftstoff, der eigentlich das CO2-Problem lösen soll, so ineffizient ist und immer noch CO2 ausstößt.

Denkender Bürger 21.05.2020, 01:28:32

@ weiterdenkender Bürger

 

Wegen seiner erdgasähnlichen Eigenschaften ist synthetisch erzeugtes Methan eber einfacher verwendbar als synthetisch erzeugter Waserstoff.

Man kann es z.B. ganz einfach bereits vorhandene Gaskraftwerke und heizungsanlagen damit betreiben - eine ienfache Umrüstung genügt. Diesbezüglich ist sogar ein Leitungsnetz zur Übertragung schon in weiten Teilen vorhanden.

Sogar als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren wäre es problemlos verwendbar - eine einfache Umüstuung würde genügen.

Die praktische Verwendbarkeit ist ein Faktor, den man in der Betrachtung nicht vernachlässigen sollte.

Und da liegt der Vorteil ganz klar bei synthetisch erzeugtem Methan.

Pete 12.07.2020, 07:05:09

+55 Gut

Unsere Nachkommen werden es danken, wenn wir jetzt das schlechtere System etablieren, nur weil es einfacher ist.

gedro 27.08.2021, 16:59:36

+6 Gut

Der eine Bürger mag ja denken, aber das heißt noch nicht, dass er das Problem verstanden hat. Der Weiterdenkende hat schon recht, denn für PtX braucht man auch Wasserstoff, und der muss auch aus einer Elektrolyse kommen. Und die braucht Wasser, egal ob Trinkwasser wie es Stand der Technik ist, oder vielleicht irgendwann einmal aus Meerwasser.

Robert Bretschneider 15.10.2021, 12:27:34

Es gibt für diese Elektrolyse noch einen weiteren Nutzen: An der einen Elektrode wird Natriumhydroxid erzeugt. Damit wird das Meerwasser basischer, aber am wichtigsten ist, dass basisches Meerwasser mit dem Natriumkation CO2 aus der Luft zu Na2Co3 bindet, dass dann im Optimalfall deponiert oder sogar in der Tiefsee verklappt werden kann. Man benötigt also nur Solarschiffe/Solarhafenanlagen, die mit Solarenergie diese Elektroden betreiben, um langfristig so viel CO2 aus der Atmosphäre zu binden, dass es die Klimaerwärmung stoppt oder gar rückgängig machen kann. Problematisch wäre evtl. das ebenfalls gebildete Chlorgas, das aufgefangen und für nützliche Dinge verwendet werden könnte, da es sonst die Atmosphäre in der Umgebung der Anlage vergiftet. CO2 in Gasform aufzufangen und zu deponieren/in etwas nutzbares zu verwenden, ist viel aufwändiger.

Rolf 19.10.2021, 19:37:16

+4 Gut

Es wäre vielleicht nützlich, wenn zu jedem Beitrag auch der Beruf bzw. das Fachgebiet des Schreibers angegeben wird.

Damit könnte jeder diese Kommentare besser bewerten.

Mechanikle 25.11.2021, 19:51:25

Zur Chlorherstellung wird Salzwasser per Elektrolyse in Chlor auf der einen und Wasserstoff + NaOH auf der anderen Seite gespalten. (Wie von Robert Bretschneider schon erwähnt.) Aber das gibt es doch schon lange bzw. wird schon lange industriell so genutzt. Je nachdem wie viel Na2CO3 durch die Reaktion dann nebenbei erzeugt wird, könnte dies von der Reederei an Land verkauft werden (da hoher Bedarf in vielen Industriezweigen, 1999 lag das Marktvolumen alleine in DE bei 2,4 Millionen Tonnen) was ja die Instandhaltungs bzw. Anschaffungskosten senken oder decken könnte.

 

Ich bin spät dran und hoffe dass noch jemand diesen Kommentar liesst.

 

LG,

 

Mechanikle

Maikel Pussyfooter 30.01.2022, 16:34:17

Also ich sag’s mal kurz und knapp. Alle sprechen immer von saubere Energie durch Wasserstoff. Nur traut sich keiner die Frage zu stellen. Was passiert dann mit dem Klima wenn wir das Wasser aus dem Meer nutzen zur Herstellung von Wasserstoff. Beziehungsweise was passiert mit dem leben im Meer wenn wir ihn in den Lebensraum nehmen. Ich bin zwar kein Experte auf dem Gebiet,Doch die Pole schmelzen so oder so und so weit ich weiß bestehen sie aus Süßwasser da meine Frage mal an euch Experten wäre es nicht einfacher das Eis abzubauen da es ja so oder so schmilzt und ins Meer fließt.Und noch ein. Ich dachte immer Wasser ist auf der Erde begrenzt da es vor Millionen von Jahren Von Astroiden auf die Erde gebracht wurde. Und im Meer leben so viel Algen die Sauerstoff produzieren das wäre doch glaube ich auch sehr kritisch denn den Raum zu nehmen. Eigentlich ist die für die Fotosynthese eine geile Idee der Natur die es möglich machte, Dass sich leben auf der Erde entwickeln konnte. Doch bauen wir Tag für Tag durch illegale Rodungen so viel Pflanzen die diesen Prozess durchführen Ab! Dazu kommt jetzt noch der Bau von Wasser ich befürchte das hört sich jetzt vielleicht komisch an, dass so oder so die Erde irgendwann so aussieht wieder Mars.Das hört sich an wie Science-Fiction für mich Terra For Ming und man muss einfach mal Bedenken nehmen wir anderen Lebewesen den Raum zum Leben nehmen wir uns auch den eigenen Raum zum Leben was auf kurz oder lang. Das verschwinden des Homosapiens auf diesen schönen blauen Ball beschleunigt. Ich bin mal auf die weiteren Kommentare gespannt. Wie gesagt ich bin kein Experte bitte berichtigt mich wenn ich mich da irre. MFg

Eberhard Bähr 18.02.2022, 14:52:40

@maikel pussyfooter

Das Wasser geht nicht verloren. In der Elektrolyse wird Wasser (H2O) aufgespalten zu Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O). In der Brennstoffzelle wird dann Wasserstoff wieder zu Wasser "verbrannt".

Man muss sich um Wasserlebewesen keine Sorgen machen, das Wasser wird nicht verbraucht.

Kattanik 17.06.2022, 14:46:12

0 Gut

Um wirklich grünen Wasserstoff zu erzeugen, wird bis auf Weiteres Süßwasser gespalten werden müssen. Meerwasserentsalzung ist teuer und umweltschädlich. Bessere Membranen für die Katalyseure müssen noch entwickelt werden. Also erheben sich die folgenden Fragen (die sich nicht nur auf die Spaltung von Süßwasser beziehen, sondern auch auf aus entsalztem Meerwasser wieder neugebildetes (Süß)wasser:

Wie und wo wird das Süß-Wasser aufgefangen, dass beim "Verbrennen" des elektrolytisch gewonnenen molekularen Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle entsteht?

Wohin wird das neugebildete Wasser geleitet?

Verdunstet es möglicher Weise schnell, weil es gewärmt aus dem Verbrennungsvorgang herauskommt?

Wenn das neugebildete Wasser gewärmt austritt, darf es dann, z.B. aus den Fahrzeugen einfach auf die Straße tropfen, bzw. in die Böden, Gewässer oder in die Kanalisation fließen?

Wird wieder dieselbe Menge Süß-Wasser durch Aufnahme von Sauerstoff entstehen, die zuvor gespalten wurde?

Terra 4 Ming 21.03.2022, 07:26:09

Das Wasser "verdunstet" so oder so in den Weltraum. Irgendwann ist dann alles weg wie auf der Venus. Bis dahin ist aber noch genug Zeit um dem natürlichen Vorgang zuvorzukommen.

Das Problem bei all dem Entsalzen ist am Ende wohl eher das anfallende Salz, aber das wird dann evtl einfach mit unseren radioaktiven Abfällen vermischt und zur Schieferölgewinnung ins Grundwasserschutzgebiet gepumpt. Ich bin da bei unserer Grünen-Mit-Regierung durchaus optimistisch.


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