(Berlin) – Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ist bislang noch teurer als grauer Wasserstoff aus Erdgas. „Doch die Produktion von grünem Wasserstoff mit Sonnenlicht kann profitabel werden“, heißt es in einer Studie des Helmholtz-Zentrums (HZB) und der Technischen Universität Berlin. Dabei wird ein Teil des Wasserstoffs genutzt, um Rohchemikalien aus Biomasse zu hochwertigen Chemikalien für die Industrie aufzubereiten. Dieses Konzept der Ko-Produktion sei „sehr flexibel“, so die Forscher. Mit der Technologie könnten je nach Bedarf verschiedene Produkte hergestellt werden.
Die dafür genutzten photoelektrochemischen Anlagen (PEC) böten einen „vielversprechenden Ansatz“. Die Wissenschaftler haben untersucht, wie sich die Bilanz verändert, wenn ein Teil des Wasserstoffs verwendet wird, um mit Itaconsäure (IA) Methylbernsteinsäure (MSA) zu erzeugen – und zwar innerhalb derselben PEC-Anlage. Der Ausgangsstoff Itaconsäure stamme dabei aus Biomasse und werde zugeführt. Methylbernsteinsäure wird von der chemischen und pharmazeutischen Industrie benötigt.
Ziel: 1,50 Euro pro Kilogramm
„Bei einem realistischen Wirkungsgrad der PEC-Anlage von zehn Prozent und unter Berücksichtigung von Primärkosten sowie Betriebs-, Wartungs- und Stilllegungskosten bleibt die reine PEC-Wasserstoffproduktion zu teuer im Vergleich mit der Produktion aus fossilem Methan“, so die Wissenschaftler. Das gelte sogar dann, wenn man die Lebensdauer der PEC-Anlage mit 40 Jahren ansetze.
Illustration der solarbetriebenen photoelektrochemischen PEC- und Hydrierungsanlage. Die Technologie nutzt Sonnenlicht zur Erzeugung von Wasserstoff. Ein Teil des Wasserstoffs reagiert mit Biomasse-Ausgangsstoffen zu wertvollen Chemikalien. © Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH / H. Tahini, ScienceBrush Design
Die Bilanz ändere sich allerdings, wenn man die PEC-Anlage mit dem Hydrierungsprozess kopple. „Selbst wenn nur elf Prozent des erzeugten Wasserstoffs in MSA umgewandelt werden, sinken die Kosten auf 1,50 Euro pro Kilogramm Wasserstoff und liegen damit auf dem gleichen Niveau wie für Wasserstoff aus der Methandampfreformierung.“ Dies gelte bereits ab einer Lebensdauer der PEC-Anlage von nur fünf Jahren. Experimentell sei es möglich gewesen, „gezielt zwischen elf Prozent und bis zu 60 Prozent des Wasserstoffs für die Produktion von MSA zu nutzen“.
Statt MSA ließen sich im Prinzip auch andere Verbindungen in der Anlage als Ko-Produkte erzeugen, wenn man andere Ausgangsstoffe und Katalysatoren einsetze, zum Beispiel ließe sich Aceton zu Isopropanol hydrieren. „Wir haben hier einen vielversprechenden Weg entdeckt, um die solare Wasserstofferzeugung wirtschaftlich zu machen“, sagt Fatwa Abdi, der bis Mitte 2023 am HZB tätig war und nun an der City University in Hongkong arbeitet.
„Nature communications (2023): Solar-driven upgrading of biomass by coupled hydrogenation using in situ (photo)electrochemically generated H2.
Keisuke Obata, Michael Schwarze, Tabea A. Thiel, Xinyi Zhang, Babu Radhakrishnan, Ibbi Y. Ahmet, Roel van de Krol, Reinhard Schomäcker & Fatwa F. Abdi Die Studie gibt es kostenfrei als PDF (11 Seiten).
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Forscher: Die Produktion von grünem Wasserstoff allein mit direktem Sonnenlicht kann ohne den Umweg über Solarstrom aus einer Photovoltaikanlage profitabel werden. © Enel Green Power
