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Pilotanlage gewinnt Wasserstoff und Frischwasser aus Meerwasser
Wasserstoff aus Meerwasser bringt bei direkter Elektrolyse Korrosions- und Stabilitätsprobleme mit sich, während eine separate Entsalzung zusätzliche Energie benötigt. Ein gekoppeltes System nutzt nun die Abwärme der alkalischen Elektrolyse, um Meerwasser bei niedriger Temperatur zu destillieren. In der 250-Kilowatt-Ausführung stieg die elektrische Systemeffizienz gegenüber herkömmlicher alkalischer Elektrolyse mit Frischwasser um 14,4 Prozent.
Dalian (China). Meerwasser wäre als Rohstoff für die Wasserstoffproduktion nahezu unbegrenzt verfügbar. Seine gelösten Salze erschweren jedoch die direkte Elektrolyse, weil Nebenreaktionen und Korrosion die Stabilität der Elektroden beeinträchtigen können. Eine vorgeschaltete Entsalzung umgeht dieses Problem, benötigt aber zusätzliche Anlagen und Energie.
Eine andere Schwachstelle liegt in der Elektrolyse selbst. Ein Teil der eingesetzten elektrischen Energie endet als Niedertemperatur-Abwärme, die in konventionellen Anlagen meist nicht weiter genutzt wird. Genau diese Wärme soll in dem neuen Verfahren die Entsalzung antreiben und damit zwei bislang getrennte Prozessschritte miteinander verbinden.
Forscher des Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) um Prof. Yanting Liu haben dafür eine Route entwickelt, die alkalische Wasserelektrolyse mit einer Vakuumdestillation bei niedriger Temperatur koppelt. Das Team bezeichnet den Ansatz als Seawater to Hydrogen and Fresh Water, kurz STHW.
Beim Betrieb des Elektrolyseurs entsteht Wärme, die das System nicht ungenutzt abführt. Stattdessen senkt ein Vakuum den Siedepunkt des Meerwassers, sodass die Abwärme dessen Destillation antreiben kann. Das gewonnene Frischwasser dient anschließend als Speisewasser für die Elektrolyse und kann darüber hinaus als zusätzliches Produkt genutzt werden.
In einer industriellen Pilotanlage mit 20 Kilowatt Leistung erzeugte das System 3,8 Normkubikmeter Wasserstoff pro Stunde und zugleich 1,2 Kilogramm Frischwasser pro Stunde. Ein Normkubikmeter bezeichnet dabei ein Gasvolumen unter festgelegten Standardbedingungen. Die 20-Kilowatt-Anlage lief nach Angaben der Studie 100 Tage stabil.
Bei der Hochskalierung auf 250 Kilowatt erreichte die Anlage 48 Normkubikmeter Wasserstoff und 31,6 Kilogramm Frischwasser pro Stunde. Entscheidend ist dabei nicht nur die zusätzliche Wasserproduktion. Die elektrische Effizienz des Gesamtsystems lag um 14,4 Prozent höher als bei einer konventionellen alkalischen Elektrolyse, die bereits entsalztes Frischwasser nutzt.
Damit setzt der Ansatz nicht auf eine direkte Spaltung von Meerwasser im Elektrolyseur. Er trennt Salz und Wasser weiterhin vor der eigentlichen Elektrolyse, gewinnt die dafür benötigte Wärme aber aus einem Energiestrom zurück, der sonst weitgehend verloren geht. Das vermindert den zusätzlichen Energiebedarf der Wasseraufbereitung innerhalb des gekoppelten Systems.
„Diese Studie befasst sich mit zwei zentralen Herausforderungen bei der Wasserstoffproduktion aus Meerwasser: der Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme aus der Wasserelektrolyse und der Überwindung der Stabilitäts- und Energieeffizienzgrenzen der direkten Meerwasserelektrolyse. Sie bietet einen möglichen Weg zu einer effizienteren Wasserstoffproduktion aus Meerwasser und ermöglicht zugleich die Erzeugung von Frischwasser“, erklärt Prof. Dehui Deng vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP).
Eine technoökonomische Analyse der Forscher deutet zudem darauf hin, dass die gekoppelte Anlage wirtschaftlicher sein könnte als eine herkömmliche Prozesskette, bei der Meerwasser zunächst separat entsalzt und das Frischwasser danach elektrolysiert wird. Damit ist eine höhere Wirtschaftlichkeit im kommerziellen Dauerbetrieb noch nicht praktisch belegt.