Wasserstoff aus Abwärme: Wie ein neuer Katalysator aus Fabriken saubere Kraftwerke macht

Es klingt nach einem Traum für jede Klimabilanz: Aus Abwärme, die ohnehin anfällt, wird direkt vor Ort sauberer Wasserstoff gewonnen. Genau das verspricht eine neue Katalysator-Generation, die ein internationales Forschungsteam jetzt vorgestellt hat. „Der niedrigere Gesamttemperaturbereich des Prozesses könnte es ermöglichen, Wasserstoff in der Nähe von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien zu produzieren, und in den Grundstoffindustrien wie Stahl, Zement, Glas und Chemie gibt es eine Fülle von Abwärme, die als Wärmeeintrag für die Wasserstoffproduktion bei niedrigen Temperaturen genutzt werden könnte“, erklärt Professor Yulong Ding von der University of Birmingham, der die Studie leitete. Die Konsequenz ist so einfach wie radikal: Ein Stahlwerk, ein Zementofen oder ein Rechenzentrum könnte mit Hilfe seiner eigenen thermischen Verluste den Treibstoff für seine Logistikflotte oder den Rohstoff für chemische Prozesse selbst herstellen, anstatt ihn über Hunderte von Kilometern anzuliefern.

Die Achillesferse der Wasserstoff-Revolution

Wasserstoff gilt gemeinhin als Schlüsselelement der Energiewende. Wenn er in einer Brennstoffzelle oder durch Verbrennung genutzt wird, entstehen als Nebenprodukte nur Wasser und Wärme, nicht aber Kohlendioxid oder andere Schadstoffe. Doch dieser saubere Schein trügt gewaltig, sobald man auf die Produktion blickt. Gegenwärtig werden rund 95 Prozent des weltweit genutzten Wasserstoffs aus fossilen Quellen gewonnen, vor allem durch Dampfreformierung von Methan. Dabei wird nicht nur der Rohstoff Erdgas verbraucht, sondern auch eine erhebliche Menge CO2 freigesetzt. Die vielfach als Alternative beschworene Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe von Strom in seine Bestandteile zerlegt wird, hat mit einem globalen Anteil von nur etwa vier Prozent an der Wasserstoffproduktion immer noch eine Nischenrolle inne. Der Grund liegt im hohen Energiebedarf und den damit verbundenen Kosten. Die thermochemische Wasserspaltung wiederum, also die Zerlegung von Wasser allein durch Hitze und einen Katalysator, galt zwar lange als konzeptionell elegant, litt aber unter einem entscheidenden Makel: Die nötigen Temperaturen waren immens. Herkömmliche Systeme benötigen für die Spaltung des Wassers Temperaturen zwischen 700 und 1000 Grad Celsius, und für die Regeneration des Katalysators sind oft sogar 1300 bis 1500 Grad nötig, bevor der nächste Produktionszyklus starten kann. Diese Temperaturen sind mit industrieller Abwärme, die meist auf einem deutlich niedrigeren Niveau anfällt, nicht erreichbar.

Perowskit: Ein alter Bekannter in neuer Rolle

Genau hier setzt der Durchbruch aus Birmingham an. Das Team um Professor Ding hat einen Katalysator auf Basis von Perowskiten entwickelt. Diese Materialklasse mit ihrer charakteristischen Gitterstruktur ist in der Forschung wohlbekannt; Perowskite können Sauerstoff in ihr Kristallgitter einbauen und so dabei helfen, sauerstoffhaltige Verbindungen aufzubrechen. Der Clou der aktuellen Arbeit, die im International Journal of Hydrogen Energy publiziert wurde, liegt in der spezifischen Zusammensetzung des Materials. Die Forscher konzentrierten sich auf sogenannte BNCF-Perowskite aus Barium, Niob, Calcium und Eisen - allesamt Elemente, die vergleichsweise häufig vorkommen, keine aufwendigen Herstellungsprozesse erfordern und keine toxischen Bestandteile enthalten. In den Experimenten produzierte das Material, insbesondere die als BNCF100 bezeichnete Variante, bereits bei Temperaturen zwischen 150 und 500 Grad Celsius substanzielle Mengen Wasserstoff. Noch entscheidender: Die Wiederherstellung des Katalysators, seine Regeneration für den nächsten Zyklus, gelang bereits bei 700 bis 1000 Grad und damit rund 500 Grad niedriger als bei bisherigen Ansätzen.

Die wirtschaftliche Perspektive, die sich daraus ergibt, ist beachtlich. Eine vorläufige techno-ökonomische Analyse der Forscher deutet darauf hin, dass die Wasserspaltung mit diesem neuen Perowskit-Katalysator kostengünstiger sein könnte als sowohl die Herstellung von „grünem“ Wasserstoff via Elektrolyse als auch von „blauem“ Wasserstoff, der aus Methan mit CO2-Abscheidung gewonnen wird. Besonders in Regionen mit günstigem Strom für erneuerbare Energien, wie etwa Australien, könnte der Kostenvorteil signifikant ausfallen. Ein zentrales ökonomisches Argument ist dabei die Einsparung von Transport- und Speicherinfrastruktur, die bei einer lokalen Produktion und Nutzung des Wasserstoffs weitgehend entfällt.

Das Ende der teuren Infrastruktur?

Professor Ding umreißt die Vision so: „Wenn der Wasserstoff lokal genutzt wird, würden die Hindernisse überwunden, die durch Speicherung und Transport entstehen, und so die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff ohne die Notwendigkeit einer kostspieligen Infrastruktur ermöglichen.“ Dies ist der entscheidende Perspektivwechsel. Nicht der Transport von Molekülen über Pipelines oder in gekühlten Tanks stünde im Mittelpunkt, sondern eine dezentrale, an den Quellen von Abwärme orientierte Produktion. Ein Zementwerk, dessen Drehrohrofen gewaltige Mengen an thermischer Energie ungenutzt in die Umwelt abstrahlt, würde vom Energieverbraucher zum Energieproduzenten. Die Universität Birmingham hat bereits ein Patent für den Einsatz von BNCF-Katalysatoren zur Niedertemperatur-Wasserspaltung angemeldet und arbeitet an der Kommerzialisierung der Technologie.

Natürlich ist der Weg vom Labormaßstab in den industriellen Dauerbetrieb noch weit. Die Studie zeigte, dass der Katalysator über zehn Zyklen hinweg stabil Wasserstoff produzierte, und Röntgenbeugungsanalysen wiesen nur minimale strukturelle Veränderungen im Material nach. Stabilität über Tausende oder Zehntausende von Zyklen, die für einen rentablen Industrieprozess unabdingbar ist, muss jedoch erst noch demonstriert werden. Dennoch markiert dieser Fortschritt eine bemerkenswerte Umkehrung der Logik: Was bisher ein Abfallprodukt war, das in Kühltürmen verpuffte, könnte zum Rohstoff für die emissionsarme Mobilität und Chemie von morgen werden.

Quellen:

• New hydrogen breakthrough turns waste heat into clean fuel (ScienceDaily - All)
• 3 ‘Lazy’ Habits That Actually Signal Intelligence (Psychology Today - Articles)
• New light-powered chip could accelerate AI and quantum computing (ScienceDaily - All)
• Can Polymarket predict the progress of science, or are subject-experts better? (Nature - News)
• Electrical ‚knob‘ can switch light on, off and tune intensity at the nanoscale (Phys.org)
• 2 Frustrating Habits of the Most Intelligent People (Psychology Today - Articles)

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