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Mit grünem Wasserstoff zu Biosolarzellen, wertvollen Chemikalien und CO₂-freiem Papier

Aktualisiert: 26. Juni 2023


Bild mit Erde und grünem Hintergrund und Wasserstoff-Formel

Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden der Wasserstofferzeugung, die fossile Brennstoffe wie Erdgas oder Kohle benötigen, wird grüner Wasserstoff ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen.


Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse von Wasser mit Strom aus Sonnen- oder Windenergie. Dabei werden Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aus Wasser abgespalten, ohne dass klimaschädliches Kohlendioxid freigesetzt wird. Die Nutzung von grünem Wasserstoff bietet daher zahlreiche Vorteile für die Energiewirtschaft und den Umweltschutz. Wir haben in unserem Innovationskompass gestöbert, um zu sehen, was sich diesbezüglich in letzter Zeit getan hat und wofür grüner Wasserstoff zum Einsatz kommen kann.


Grüner Wasserstoff: Bio-Solarzellen eröffnen neuen Weg


Bei der Fotosynthese setzen Pflanzen Licht, Wasser und Kohlendioxid zu Glukose und Sauerstoff um. Es entstehen mithilfe der Energie der Sonne also energiereiche Stoffe, die – zuvor anorganisch – nun organisch sind. Dabei geht allerdings eine Menge Energie verloren. Ein Forschungsteam der Universität Cambridge hat nun in Zusammenarbeit mit Forschenden der Uni Rostock sowie der Ruhr-Universität Bochum einen neuen Ansatz versucht: Wie man absolut effizient und ohne Verluste Energie aus der Sonne gewinnen kann und dabei sogar grüner Wasserstoff entsteht. Dies wurde möglich durch den Einsatz von natürlichen Reaktionsbeschleunigern. Der Schlüssel dabei ist laut den Forschenden ein Extrahieren von Elektronen noch im unmittelbaren Anfangsstadium der Synthese. Das Nutzen dieser Reaktionsbeschleuniger ist durchaus gängige Praxis – sie kommen als Zusatzstoff bspw. in Waschmitteln oder als Ausgangsmaterial in der chemischen Industrie vor. Sie zeichnen sich dadurch aus, ausschließlich mit spezifischen Stoffen zu reagieren und so zielgerichtet ein Produkt zu erzeugen. Künftig können so biologische Solarzellen geschaffen werden, die ohne seltene Materialien wie Platin auskommen. Dafür könnten sie auf Algen, Enzymen oder sogar Bakterien basieren und dann mithilfe eines gezielten Beschleunigens der Reaktion mit der Sonnenenergie Wasserstoff produzieren. [1]


Direkt durch Sonnenlicht hergestellter Wasserstoff in wertvolle Chemikalien umwandeln


Die Herstellung von grünem Wasserstoff direkt durch Sonnenlicht mit photoelektrochemischen Zellen (PECs) ist heute weit entfernt von rentabel, die Kosten betragen etwa 10 US-Dollar/kg im Vergleich zu 1,50 US-Dollar/kg für elektrolytisch produzierten grauen Wasserstoff. Außerdem ist der kumulative Energiebedarf für die PEC-Wasserspaltung schätzungsweise vier- bis zwanzigmal höher. Sobald jedoch der gewonnene Wasserstoff in der gleichen PEC in eine wertvolle Chemikalie umgewandelt wird, ändert sich das Kosten-Nutzen-Verhältnis signifikant. Das Helmholtz-Zentrum Berlin hat untersucht, wie die Bilanz aussieht, wenn ein Teil des produzierten Wasserstoffs im selben PEC-Reaktor (in situ) mit Itaconsäure (IA) zu wertvoller Methylbernsteinsäure (MSA) weiterreagiert. Die für die Synthese von Methylbernsteinsäure in einer PEC-Zelle benötigte Energie beträgt nur ein Siebtel des Energiebedarfs herkömmlicher MSA-Produktionsverfahren. Zudem lässt sich die thermische Energie in der Zelle zur Beschleunigung der Reaktion nutzen und teure Katalysatoren werden durch günstigere ersetzt. Das zurzeit nur als theoretisches Rechenmodell existierende Verfahren soll nun in einem nächsten Schritt im Labor getestet werden. [2]


 

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Papier erstmalig mit grünem Wasserstoff CO₂-frei produziert


In der Papierindustrie ist der Weg zur Klimaneutralität noch lang. Zwar werden vermehrt Recycling-Materialien eingesetzt, doch bislang war nicht möglich, die energieintensive Produktion klimaneutral zu gestalten. Speziell in einem der Schlüsselprozesse der industriellen Papierherstellung, der sogenannten Tissue-Haubentrocknung, für die sehr hohe Temperaturen von bis zu 600 Grad nötig sind, war Erdgas die einzige Möglichkeit, Luft in ausreichender Menge und Geschwindigkeit zu erhitzen. Dem Unternehmen Essity ist nun erstmalig gelungen, Papier CO₂-frei und in hoher Qualität ausschließlich mit grünem Strom zu produzieren. Im Werk in Mainz-Kostheim setzte man neben der Elektrifizierung aus erneuerbaren Energien auf grünen Wasserstoff als letztem Baustein der nachhaltigen Produktion. In einem großindustriellen Wasserstoffversuch wurde 100 Prozent grüner Wasserstoff eingesetzt. Dafür wurde die notwendige Infrastruktur geschaffen, wie zum Beispiel neue Brenner, die den Trocknungsprozess auch an großen und leistungsfähigen Papiermaschinen mit grünem Wasserstoff durchführen können. Die Einsparung: bis zu 37.000 Tonnen weniger CO₂ pro Jahr – das entspricht einem Viertel des CO₂-Gesamtausstoßes des Werkes. Damit ist bewiesen, dass mit grünem Strom und Wasserstoff auch sehr energieintensive Industrieprozesse dekarbonisiert werden können. Da dies auch kostenintensiv ist, werden Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) für den Ausbau der Technologie bereitgestellt. [3]

Bildlink zum Innovationskompass: Info- und Anmeldeseite

Wir hoffen, mit diesen drei spannenden Beispielen das Potenzial dieser Technologie für eine nachhaltige Zukunft aufgezeigt zu haben. Wer noch mehr Innovationen zu diesem Thema – oder auch zu vielen anderen Bereichen entlang aller Trends und Branchen – entdecken möchte, kann sich hier direkt für unseren Innovationskompass anmelden.


Grüße aus dem INNO-VERSE

Das in-manas-Team

 


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