Wird diese neuseeländische Technologie dazu beitragen, das Klima zu verbessern?

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Grüner Wasserstoff ist zu einem wachsenden Schwerpunkt des „gerechten Übergangs“ Neuseelands weg von Öl und Gas geworden, da er durch die Nutzung erneuerbarer Energien oder Biomasse nachhaltig erzeugt werden kann. Foto / 123rf

Es wird als klimafreundliche Möglichkeit angepriesen, Strom zu erzeugen, Motoren anzutreiben und Düngemittel herzustellen – und jetzt bringt ein neu gegründetes Spin-out-Unternehmen aus Kiwi seine grüne Wasserstofftechnologie in die Welt.

Die saubere Energiequelle ist zu einem wachsenden Schwerpunkt des „gerechten Übergangs“ Neuseelands weg von Öl und Gas geworden, da sie durch die Nutzung erneuerbarer Energien oder Biomasse nachhaltig erzeugt werden kann.

Während Wasserstoff auf der ganzen Welt produziert wird, handelt es sich fast ausschließlich um „braunen“ Wasserstoff – also um Wasserstoff, der aus Kohle und Erdgas hergestellt wird und jedes Jahr Hunderte Millionen Tonnen CO₂-Emissionen verursacht.

Aber grüner Wasserstoff kann durch Elektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden und hinterlässt einen kleinen CO2-Fußabdruck.

Mit diesem Versprechen gehen jedoch Probleme einher: Probleme in der Lieferkette, steigende Kosten und Engpässe bei Rohstoffen, die die Erschwinglichkeit und Verfügbarkeit beeinträchtigen.

Das sind Herausforderungen, die Neuseelands erstes Wasserstoff-Deep-Tech-Start-up überhaupt – und das erste Spin-out-Unternehmen des kroneneigenen Unternehmens GNS Science – bewältigen wollte.

Sheena Thomas, Managerin für Handels- und Geschäftspartnerschaften bei GNS, sagte, dass sich die Nachfrage nach grünem Wasserstoff laut der Internationalen Energieagentur (IEA) bis 2030 voraussichtlich fast verdoppeln und 180 Megatonnen (Mt) erreichen wird.

„Derzeit werden jedes Jahr fast 100 Millionen Tonnen Wasserstoff verbraucht, der aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird, daher ist es ein dringendes Problem, das angegangen werden muss.“

Das Herzstück des neuen Unternehmens mit dem Namen Bspkl und der Unterstützung des Gründerzentrums WNT Ventures war eine lokal entwickelte Technologie, die es ermöglichte, genügend Elektrolyseure zu produzieren, um die Nachfrage zu decken.

„Dies eröffnet enorme Möglichkeiten zur Dekarbonisierung von Schlüsselindustrien wie Luftfahrt, Schifffahrt und Stahl, die extrem schwer zu elektrifizieren sind.“

Wie funktionierte die neue Technologie?

Der technische Leiter von Bspkl, Dr. Jerome Leveneur, erklärte, dass fast der gesamte Wasserstoff der Welt durch einen Prozess namens Methancracken hergestellt wurde, der wiederum für etwa 2 Prozent der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich ist.

„Wasserstoff spielt eine wirklich wichtige Rolle bei der Unterstützung unseres täglichen Lebens, aber wir müssen einen Weg finden, ihn sauber und nachhaltig zu machen“, sagte Leveneur, ein GNS-Ionenstrahl-Materialwissenschaftler.

Mittels Elektrolyse könnte Wasserstoff mithilfe von Elektrizität aus Wasser hergestellt werden – und der Prozess könnte vollständig erneuerbar sein, wenn er mit Energiequellen wie Sonne, Wind und Geothermie verbunden wäre.

Wir könnten uns Elektrolyseure selbst wie eine Zwiebel vorstellen, mit vielen Schichten übereinander gestapelter Teile.

Ein gut etablierter Ansatz namens Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) basierte auf einer Membran, einer Anode und einer Kathode.

„An der Anode werden die Wassermoleküle in positiv geladene Wasserstoffionen gespalten und Sauerstoffatome werden wieder zu einem O₂-Molekül kombiniert, dem Sauerstoff, den wir atmen“, sagte Leveneur.

„Die Wasserstoffionen passieren die Membran und verbinden sich mit Elektronen an der Kathode, wodurch Wasserstoffgas entsteht.“

Während PEM-Elektrolyseure weithin als die effizienteste Methode zur Herstellung von nachhaltigem Wasserstoff anerkannt wurden, blieb ihre Abhängigkeit von seltenen und endlichen Elementen ein großer Nachteil für die Skalierung der Technologie.

Um diese Hürde zu überwinden, bot Bspkl eine von Leveneur erfundene Innovation an – einen verbesserten Typ einer Komponente, die für PEM-Elektrolyseure von entscheidender Bedeutung ist und als katalysatorbeschichtete Membran (CCM) bezeichnet wird.

„Eine Membran ist auf beiden Seiten mit einer dünnen Schicht aus Katalysatorpartikeln, typischerweise Platin und Iridium, beschichtet“, erklärte er.

„Die Katalysatorpartikel müssen gleichmäßig verteilt und an die Oberfläche der Protonenaustauschmembran gebunden sein, was effiziente und schnelle elektrochemische Reaktionen ermöglicht.“

„Ohne Katalysator würde der Elektrolyseur viel mehr Strom benötigen, um Wasserstoff herzustellen.“

Und um CCM für Elektrolyseure herzustellen, sei eine Menge Katalysatormaterial wie Platin und Iridium erforderlich.

„Während Platin teuer ist, liegt das Problem bei PEM-Elektrolyseuren beim Iridium“, sagte er.

„Iridium ist nicht leicht verfügbar, da es als Nebenprodukt bei der Raffinierung anderer Metalle entsteht.“

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Weltweit wurden schätzungsweise nur sieben Tonnen pro Jahr produziert.

„Um ausreichend sauberen Wasserstoff zu produzieren, um nicht nur unseren derzeitigen Wasserstoffverbrauch zu ersetzen, sondern uns auch auf die neuen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff wie im Transportwesen und in der Industriewärme vorzubereiten, müssen wir in der Lage sein, etwa 26 Gigawatt PEM-Elektrolyseure pro Jahr herzustellen“, so Leveneur sagte.

„Um das ins rechte Licht zu rücken: Seit der Erfindung der Elektrolyseure Anfang des 20. Jahrhunderts wurden weltweit nur etwa acht Gigawatt hergestellt.“

Um dieses 26-Gigawatt-Ziel zu erreichen, wären wahrscheinlich etwa 30 bis 40 Tonnen Iridium pro Jahr erforderlich.

„Mit den aktuellen Ansätzen zur Herstellung von CCM ist diese Menge einfach nicht nachhaltig.“

Der Fertigungstechnik von Bspkl gelang es, ein CCM mit den niedrigsten bekannten Iridiumbeladungen herzustellen und dabei seine Leistungseffizienz beizubehalten.

„Die Reduzierung der Iridium- und Platin-‚Beladungen‘, die Bspkl erreicht, erfolgt durch Ionenimplantation“, sagte er.

„Kurz gesagt bedeutet dies, dass der Katalysator auf das Membranmaterial ‚gesprenkelt‘ wird, daher der Name Bspkl – ausgesprochen ‚bespeckle‘.“

Vor 2020 galt die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse nicht als wirtschaftlich rentabel, da die Herstellung von Wasserstoff mit Erdgas viel billiger war.

Doch mit der Ankündigung des European Green Deal, dem Inflation Reduction Act in den Vereinigten Staaten und dem Krieg zwischen Russland und der Ukraine sei die Notwendigkeit von sauberem Wasserstoff als nachhaltige Kraftstoffquelle „explodiert“.

„Die Auswirkungen dieses rasanten Anstiegs von sauberem Wasserstoff auf die Hersteller von Elektrolyseuren waren erheblich.“

Was einst im Wesentlichen eine Heimindustrie war, wurden heute auf der ganzen Welt „Gigafabriken“ zur Herstellung von Elektrolyseuren gebaut.

„Das bedeutet, dass ein großer Bedarf an Automatisierung und großem Fertigungsmaßstab besteht, den es vor drei Jahren noch nicht gab“, sagte Leveneur.

„Wenn Sie einen hohen Bedarf, große Marktchancen und staatliche Unterstützung kombinieren, treiben Sie Innovationen voran.“

Der eigene Herstellungsansatz von Bspkl war auf den Maßstab ausgelegt und ermöglichte die Produktion großer CCM-Mengen.

„Innovationen wie Bspkl sind wichtig für die Schaffung einer neuen Zukunft mit sauberer Energie“, sagte Thomas.

„Das Materialwissenschaftsteam von GNS Science, zu dem auch Jerome gehörte, war und ist weiterhin an einem mehrjährigen Programm beteiligt, um die Produktion, Speicherung und den Transport von grünem Wasserstoff billiger und effizienter zu machen.“

Die Gründung des Unternehmens folgt darauf, dass Halcyon Power Ende 2021 Neuseelands erste Anlage für grünen Wasserstoff in der Nähe von Taupō eröffnete, mit dem Ziel, eine Lieferkette einschließlich Transport, Standortlagerung und Betankungsinfrastruktur zu vervollständigen.

In der Horizont-Scanning-H2-Taranaki-Roadmap aus dem Jahr 2019 wurde bereits vorhergesagt, dass Wasserstoff zunehmend mithilfe von Strom zur Wasserspaltung hergestellt wird, wobei der einzige Ausstoß Sauerstoff ist.

Dem Bericht zufolge könnte Wasserstoff als Kraftstoff, insbesondere für schwere Fahrzeuge, als Ausgangsstoff für Produkte wie Harnstoff oder Methanol oder zur Speicherung elektrischer Energie über lange Zeiträume von Wochen bis Jahren genutzt werden.

Ein neues Netzwerk könnte die Speicherung von Wasserstoff oder synthetischem Erdgas in erschöpften Gasfeldern sowie die Stromerzeugung mit grünem Wasserstoff in den gasbetriebenen Spitzenkraftwerken von Taranaki umfassen.

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