Schmutzwasser für die Wasserstoffproduktion

Schmutzwasser für die Wasserstoffproduktion

Abwasser kann sauberes Wasser als Quelle für die Wasserstoffproduktion ersetzen, wodurch ein großer Nachteil von Wasserstoff als Kraftstoff beseitigt und die Kosten für die Wasseraufbereitung um bis zu 47 % gesenkt werden können, wie neue Forschungsergebnisse von Princeton Engineering zeigen.

Die Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift Water Research veröffentlicht wurden, sind ein Schritt in Richtung der praktischen Nutzung von Wasserstoff zur Dekarbonisierung von Industrien, die schwer zu elektrifizieren sind, wie beispielsweise die Stahl- und Düngemittelproduktion.

Z. Jason Ren, der leitende Autor der Studie, erklärte, dass die derzeitige elektrolytische Wasserstoffproduktion große Mengen an sauberem Wasser erfordert, was die Kosten erhöht und die lokalen Wasservorräte belastet. Sein Forschungsteam wollte herausfinden, ob aufbereitetes Wasser aus Kläranlagen als Ersatz dienen könnte.

„Die Wasserstoffinfrastruktur konkurriert in der Regel mit der lokalen Süßwassernutzung“, sagte Ren, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und Mitglied des Andlinger Center for Energy and the Environment. „Aber jede Stadt hat eine Kläranlage, und das ist eine sehr dezentrale Wasserquelle für die Wasserstoffwirtschaft.“

Die Erzeugung von Wasserstoff mit erneuerbaren Energien, bekannt als grüner Wasserstoff, basiert auf der Elektrolyse, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoffgas aufgespalten wird. Das Wasser fließt in einen Elektrolyseur, wo elektrischer Strom bewirkt, dass sich positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) von einer Anode über eine spezielle Membran zu einer Kathode bewegen, wo sich die Protonen mit Elektronen verbinden und Wasserstoffgas bilden.

Der Großteil des derzeit in den Vereinigten Staaten produzierten Wasserstoffs ist als blauer Wasserstoff bekannt, bei dem Erdgas die Energie für den Prozess liefert und zumindest ein Teil des entstehenden Kohlendioxids aufgefangen und unterirdisch gespeichert wird – wodurch blauer Wasserstoff eine kohlenstoffärmere Energiequelle ist als die direkte Nutzung von Erdgas.

Bei der Elektrolyse von grünem Wasserstoff wird erneuerbarer Strom verwendet, wodurch deutlich weniger CO2-Emissionen entstehen. Allerdings wird dafür in der Regel ultrareines Wasser benötigt, das durch Aufbereitung von Leitungswasser oder Grundwasser mit Verfahren wie Umkehrosmose gewonnen wird, um Verunreinigungen zu entfernen, die die Elektrolyse beeinträchtigen könnten.

Das Team aus Princeton testete die Verwendung von behandeltem Abwasser anstelle von Leitungswasser, um den Reinigungsprozess zu umgehen. In diesem Szenario wird das Abwasser „aufbereitet“, d. h. so behandelt, dass es in Grundwasserleiter eingeleitet oder für Bewässerungszwecke oder zur industriellen Kühlung verwendet werden kann.

Die Methode sei bereits zuvor ausprobiert worden, habe jedoch in der Regel nach kurzer Zeit versagt, so Ren. Um den Grund für das Scheitern aufzudecken, führte Lin Du, ein Doktorand in Rens Labor, sorgfältig konzipierte Diagnoseexperimente in einem Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseur durch – derselben Technologie, die derzeit kommerziell mit ultrareinem Wasser eingesetzt wird.

Du und seine Co-Autoren verwendeten eine Kombination aus elektrochemischen Tests und fortschrittlicher mikroskopischer Bildgebung, um die Leistung von reinem Wasser mit der von wiederaufbereitetem Abwasser in den Reaktoren zu vergleichen. Sie beobachteten, dass die Systemleistung mit wiederaufbereitetem Wasser rapide abnahm, während die gleiche Anlage mit reinem Wasser weiterhin stabil funktionierte.

Durch experimentelle und modellhafte Analysen identifizierten sie Calcium- und Magnesiumionen – dieselben Mineralien, die auch Kalkablagerungen an Wasserhähnen und Wasserkochern in Haushalten verursachen – als Hauptursache für den Leistungsverlust. Diese Ionen haften an der Membran, blockieren den Ionentransport und verwandeln sie von einem porösen Durchgang in eine feste Barriere.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher eine einfache Lösung: Sie versäuerten das Wasser mit Schwefelsäure. Der so entstandene Säurepuffer fungiert als reichhaltige Protonenquelle, die andere Ionen verdrängt, die Ionenleitfähigkeit aufrechterhält, den elektrischen Strom aufrechterhält und eine kontinuierliche Wasserstoffproduktion ermöglicht.

„Es ist teuer, all diese Ionen zu entfernen, damit ultrareines Wasser in den Elektrolyseur gelangt“, sagte Ren. „Jetzt kann man es einfach ein wenig ansäuern, ionhaltiges Wasser in den Elektrolyseur geben und es hält mehr als 300 Stunden ohne erkennbare Probleme.“

Sein Team schätzte, dass die Verwendung von aufbereitetem Abwasser anstelle von gereinigtem Wasser die Kosten für die Wasseraufbereitung zur Wasserstoffproduktion um etwa 47 % und die Energiekosten dieser Aufbereitung um etwa 62 % senken könnte.

Entscheidend ist laut Ren, dass „diese Säure rezirkuliert wird und somit nie aus dem System austritt“, was sowohl aus ökologischer als auch aus kostentechnischer Sicht wichtig ist. Ebenso bleiben die Kalzium- und Magnesiumionen in der löslichen Phase, ohne die Zirkulation zu beeinträchtigen.

Ren und sein Team arbeiten mit Partnern aus der Industrie zusammen, um zu testen, wie ihr Ansatz in größerem Maßstab funktioniert und wie er mit vorbehandeltem Meerwasser als Ausgangsmaterial eingesetzt werden könnte. Im vergangenen Jahr veröffentlichten sie eine Studie zur Optimierung der Wasser- und Kosteneinsparungen bei der Wasserstoffproduktion, in der sie die besten Standorte in den Vereinigten Staaten identifizierten, um Wasserstoffanlagen in der Nähe von Abwasseranlagen zu errichten, wo wiederaufbereitetes Wasser reichlich vorhanden ist.

„Wir wollten die Möglichkeit der Nutzung von wiederaufbereitetem Wasser für eine nationale Wasserstoffstrategie wirklich untersuchen“, sagte Ren. „Wir betreiben sowohl tiefgreifende technische Forschung als auch übergreifende analytische Arbeit, um sowohl wissenschaftlichen als auch industriellen Anforderungen gerecht zu werden.“

Quelle: Techxplore.com vom 28.10.25