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MIT-Forschung: Sauberer Wasserstoff-Kraftstoff durch Sonnenwärme

Eine Konstruktion des MIT soll 40 Prozent der Sonnenwärme zur Herstellung von sauberem Wasserstoff-Kraftstoff nutzen.



Ein Ingenieursteam des MIT (Massachusetts Institute of Technology) hat ein eisenbahnähnliches Reaktorsystem vorgestellt, das ausschließlich von der Sonne angetrieben wird. Es soll umweltfreundlichen, kohlenstofffreien Wasserstoffkraftstoff herstellen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Solar Energy Journal.

Laut dem Konzept nutzt das System die Sonnenwärme, um Wasser direkt zu spalten und Wasserstoff zu erzeugen. Damit sollen Schiffe, Flugzeuge und Lastwagen über lange Strecken angetrieben werden können, ohne dabei Treibhausgasemissionen zu verursachen.

Derzeit ist grüner Wasserstoff eher eine graue Energiequelle, da zur Herstellung bis zur Endnutzung fossile Brennstoffe benötigt werden.

Der solar-thermochemische Wasserstoff (STCH) soll dagegen eine völlig emissionsfreie Alternative sein. Bisherige STCH-Konzepte haben jedoch einen begrenzten Wirkungsgrad und sind kostenintensiv: Nur etwa sieben Prozent des einfallenden Sonnenlichts werden zur Herstellung von Wasserstoff genutzt.

Ein Dollar für ein Kilo Wasserstoff

Das MIT-Team schätzt, dass ihr Design 40 Prozent der Sonnenwärme nutzen könnte. "Wir sehen Wasserstoff als den Kraftstoff der Zukunft an, und es besteht die Notwendigkeit, ihn kostengünstig und in großem Maßstab zu erzeugen", erklärte der Hauptautor der Studie, Ahmed Ghoniem, in einer Pressemitteilung der Universität. Bis 2030 soll der grüne Wasserstoff für einen US-Dollar pro Kilogramm hergestellt werden.

Das zweistufige System würde dafür mit einer bestehenden Solarwärmequelle gekoppelt. Ein STCH-System nimmt dann die Wärme des Empfängers auf und leitet sie zur Spaltung von Wasser und zur Erzeugung von Wasserstoff weiter. Dieser Prozess unterscheidet sich den Angaben zufolge stark von der Elektrolyse, bei der Strom statt Wärme zur Wasserspaltung verwendet wird.

Wie funktioniert das System?

Im ersten Schritt wird Wasser in Form von Dampf mit einem Metall in Kontakt gebracht, wodurch das Metall den Sauerstoff aus dem Dampf aufnimmt und Wasserstoff zurücklässt – ähnlich wie die Oxidation von Metall, bei der Rost übrig bleibt.

Nachdem der Sauerstoff entfernt wurde, kann das Metall abgekühlt und erneut dem Dampf ausgesetzt werden, um weiteren Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Prozess kann hunderte Male wiederholt werden. Das Forschungsteam will diesen Prozess weiter optimieren.

Das gesamte System ähnelt einer Reihe kastenförmiger Reaktoren, die auf einem kreisförmigen Gleis laufen. Die Reaktoren würden zunächst eine heiße Station durchlaufen, in der sie der Sonnenwärme mit Temperaturen von bis zu 1.500 Grad Celsius ausgesetzt wäre.

Vakuum und Wärmeverlust als größte Probleme

Ohne den Sauerstoff befände sich das Metall dann in einem reduzierten Zustand und wäre bereit, Sauerstoff aus Dampf aufzunehmen. In einer Umgebung von 1.000 Grad Celsius kommt der Reaktor mit Wasserdampf in Berührung, um Wasserstoff zu erzeugen.

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Eine Herausforderung dabei ist, ein energieeffizientes Vakuum zu erzeugen, in dem Metall entrosten kann. Eine kostensparende Lösung gibt es dazu noch nicht.

Der Wärmeverlust ist ebenfalls ein Problem. Um einen Großteil der Wärme zurückzugewinnen, können Reaktoren auf gegenüberliegenden Seiten der Kreisbahn durch Wärmestrahlung Wärme austauschen. In diesem System werden heiße Reaktoren gekühlt, während kühle Reaktoren geheizt werden, und die Wärme bleibt im System.

Eine zweite Reihe an Reaktoren bewegt sich dazu in entgegengesetzter Richtung um den ersten Zug herum. Dieser äußere Reaktorstrang würde bei allgemein kühleren Temperaturen arbeiten und Sauerstoff aus dem heißeren inneren Strang evakuieren.

Energieaufwendige mechanische Pumpen wie in anderen Systemen wären damit überflüssig. Zudem würden die äußeren Reaktoren eine zweite Art von Metall enthalten, das ebenfalls leicht oxidieren kann. Während sie kreisen, würden sie Sauerstoff aus den inneren Reaktoren absorbieren, wodurch das ursprüngliche Metall effektiv entrostet würde.

Beide Reaktorstränge würden kontinuierlich laufen und getrennte Ströme von reinem Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Als Nächstes will das Forschungsteam einen Prototyp bauen, der mit einem oder mehreren Zügen mit jeweils etwa 50 Reaktoren ausgestattet ist.

Zur Studie

Die Studie wurde am 16. Oktober 2023 im Fachmagazin Solar Energy veröffentlicht und heißt A comparative analysis of integrating thermochemical oxygen pumping in water-splitting redox cycles for hydrogen production (Eine vergleichende Analyse der Integration thermochemischer Sauerstoffpumpen in wasserspaltende Redoxzyklen zur Wasserstofferzeugung).

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