Industrielle Wasserstofferzeugung mit einem neuen System auf Grundlage protonierter Keramikmembranen

Internationales Team veröffentlicht ein System, das diesen universellen Brennstoff fast ohne Abfall erzeugt

25.04.2022 - Spanien

Ein internationales Team, an dem das Institut für Chemische Technologie (ITQ), ein gemeinsames Zentrum des Spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) und der Polytechnischen Universität Valencia (UPV), beteiligt ist, hat einen neuen elektrifizierten Reaktor entwickelt, um Wasserstoff auf nachhaltigere und energieeffizientere Weise zu gewinnen. Dem Team ist es gelungen, 36 einzelne Keramische Membranen zu einem skalierbaren, modularen Generator zu kombinieren, der aus Strom und verschiedenen Brennstoffen Wasserstoff erzeugt, und zwar fast ohne Energieverlust. Dies ist das erste Mal, dass diese Technologie zur industriellen Herstellung von Wasserstoff eingesetzt wird.

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende chemische Element auf unserem Planeten, aber er ist nicht in Lagerstätten vorhanden. Es muss aus anderen Elementen gewonnen werden, die es enthalten. Die Herstellung von Wasserstoff für Energiezwecke wird nach der Farbe klassifiziert, je nachdem, wie sauber er gewonnen wird. Der sauberste ist grüner Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird. Das häufigste ist Blau, das aus Erdgas gewonnen wird. Die in Science veröffentlichten Ergebnisse der Arbeiten, an denen das ITQ beteiligt ist, sind vielversprechend für die Wettbewerbsfähigkeit beider Typen im Land- und Seeverkehr, aber auch für andere Märkte und ihre industrielle Nutzung.

Die in dieser Studie verwendeten keramischen elektrochemischen Protonenreaktoren nutzen elektrische Energie, um Wasserstoff mit außergewöhnlicher Energieeffizienz aus anderen Molekülen zu gewinnen. Der Brennstoff kann Ammoniak, Erdgas, Biogas oder andere wasserstoffhaltige Moleküle sein. Im Rahmen des Projekts wurde ein elektrifizierter Reaktor auf eine Produktion von etwa einem halben Kilo Druckwasserstoff pro Tag durch Elektrokompression hochgefahren, mit einer sehr hohen Reinheit und einer maximalen Energieeffizienz von über 90 %.

Die Gruppe für Energieumwandlung und -speicherung des ITQ hat gezeigt, dass es möglich ist, mit dieser Art von Technologie bei einem Druck von 150 bar zu arbeiten, was einen der wichtigsten Meilensteine dieser Arbeit darstellt. Darüber hinaus wird bei diesem System das im Prozess erzeugte Kohlendioxid_(CO2) nicht in die Atmosphäre abgegeben, sondern in einen unter Druck stehenden Strom umgewandelt, der verflüssigt und zur späteren Verwendung oder Lagerung transportiert wird, was eine Dekarbonisierung ermöglicht.

Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass die Protonen-Keramik-Technologie zur Herstellung skalierbarer Wasserstoffgeräte verwendet werden kann, die den Weg für eine industrielle Massenproduktion ebnen. Während andere saubere Energien wie Solar- oder Windenergie unstetig sind, hat Wasserstoff den Vorteil, dass er Energie speichern und verteilen kann. "Dieses System wird es ermöglichen, Energie in Form von Molekülen mit hoher Energiedichte und Wasserstoffgehalt zu speichern und damit eine Antwort auf das Problem der Unterbrechung der erneuerbaren Energien zu geben", sagt Sonia Remiro Buenamañana, Postdoktorandin am ITQ.

Dem Forschungsteam gehören neben dem ITQ auch Wissenschaftler und Ingenieure der Universität Oslo und des Forschungsinstituts SINTEF (Norwegen) sowie von CoorsTek Membrane Sciences, der Forschungsabteilung des Unternehmens CoorsTek, an. "Energieeffizienz ist der Schlüssel zur Zukunft des Wasserstoffs", sagt Irene Yuste, Chemieingenieurin bei CoorsTek Membrane Sciences und Doktorandin an der Universität Oslo, Mitautorin der Studie.

Gewinnung von Wasserstoff mit maximaler Effizienz

"Wenn Energie von einer Form in eine andere umgewandelt wird, kommt es zu einem Energieverlust", erklärt José Manuel Serra, CSIC-Forschungsprofessor am ITQ und Mitverfasser der Studie. "Mit unseren keramischen Protonenmembranen können wir verschiedene Schritte der Wasserstofferzeugung in einer einzigen Stufe kombinieren, wobei die Wärme für die katalytische Wasserstofferzeugung durch elektrochemische Gastrennung zu einem thermisch ausgeglichenen Prozess geliefert wird. Das Ergebnis ist Wasserstoff, der fast ohne Energieverlust hergestellt wird", betont er.

Keramische Protonenmembranen sind elektrochemische Energiewandler, genau wie Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseure. Einer der Schlüssel zum Durchbruch ist ein von CoorsTek Membrane Sciences entwickeltes neues Bauteil aus glaskeramischen und metallischen Werkstoffen, das die Hochtemperatur-Robustheit einer Keramik und die elektronische Leitfähigkeit eines Metalls vereint.

Diese Membranen arbeiten bei hohen Temperaturen zwischen 400 und 800 Grad Celsius, zerlegen Wasserstoff in seine subatomaren Teilchen (Protonen und Elektronen) und transportieren die Protonen durch einen festen keramischen Elektrolyten. "Unsere Forschungsgruppe hat eine umfassende Studie über die Geschwindigkeit der ablaufenden Reaktionen und die daran beteiligten Mechanismen durchgeführt, um die Betriebsbedingungen dieser Systeme zu verbessern", erklärt Maria I. Valls Esteve, ITQ-Forscher.

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Originalveröffentlichung

Daniel Clark, Harald Malerød-Fjeld, Michael Budd, Irene Yuste-Tirados, Dustin Beeaff, Simen Aamodt, Kevin Nguyen, Luca Ansaloni, Thijs Peters, Per K. Vestre, Dimitrios K. Pappas, María I. Valls, Sonia Remiro-Buenamañana, Truls Norby, Tor S. Bjørheim, Jose M. Serra, Christian Kjølseth; "Single-step hydrogen production from NH3, CH4, and biogas in stacked proton ceramic reactors."; Science.

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