Wasserstoff aus Abwasser statt teurem Reinwasser? Forscher haben eine überraschend einfache Lösung gefunden, die Kosten drastisch senken könnte.
Grüner Wasserstoff bleibt ein zentraler Hoffnungsträger für schwer elektrifizierbare Industriezweige. Bei der Elektrolyse wird Wasser durch Stromzufuhr in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt. Kommt dabei ausschließlich erneuerbare Energie zum Einsatz, entsteht grüner Wasserstoff. Der Prozess findet in einem Elektrolyseur statt, wo elektrischer Strom Protonen von der Anode durch eine spezielle Membran zur Kathode transportiert, wo sie mit Elektronen zu Wasserstoffgas reagieren. Standardmäßig erfordert dieser Vorgang hochreines Wasser, das durch Aufbereitungsverfahren wie Umkehrosmose (Filterverfahren) aus Leitungs- oder Grundwasser gewonnen wird. Verunreinigungen könnten sonst den Elektrolyseprozess stören.
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Z. Jason Ren, Hauptautor einer neuen Studie der Princeton University, weist in einer Mitteilung darauf hin, dass die elektrolytische Wasserstoffgewinnung derzeit erhebliche Mengen sauberen Wassers benötigt, was Kostensteigerungen verursacht und lokale Grundwasserreserven belastet. Mit seinem Forschungsteam untersuchte Ren daher, ob gereinigtes Abwasser aus Kläranlagen als Alternative dienen könnte. „Die Wasserstoffinfrastruktur konkurriert in der Regel mit der lokalen Süßwassernutzung“, erklärt der Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und Mitglied des Andlinger Center for Energy and the Environment. „Aber jede Stadt hat eine Kläranlage, und somit eine sehr gut verteilte Wasserquelle für die Wasserstoffwirtschaft.“
Abwasser als Alternative
Im Rahmen ihrer Untersuchung prüfte das Wissenschaftlerteam, ob der aufwändige Reinigungsprozess durch den Einsatz von aufbereitetem Abwasser statt Leitungswasser umgangen werden könnte. Dafür muss das Abwasser zunächst „rückgewonnen“ werden – also so weit aufbereitet sein, dass es für Grundwasseranreicherung, Bewässerung oder industrielle Kühlprozesse geeignet ist. Obwohl dieser Ansatz bereits früher erprobt wurde, scheiterte er laut Studienautor meist nach kurzer Betriebszeit. Um die Ursachen zu ergründen, führte Lin Du, Doktorand in Rens Labor, präzise konzipierte Diagnosetests in einem Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseur durch – derselben Technologie, die gegenwärtig vorwiegend mit ultrareinem Wasser betrieben wird.
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Lin Du und seine Kollegen kombinierten elektrochemische Tests mit mikroskopischer Bildgebung, um die Effizienz von reinem Wasser und wiederaufbereitetem Abwasser in den Reaktoren zu vergleichen. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Systemleistung mit wiederaufbereitetem Wasser schnell nachließ, während dieselbe Anlage mit reinem Wasser stabil weiterlief. Durch experimentelle Analysen und Modellrechnungen identifizierten sie Calcium- und Magnesiumionen – dieselben Mineralien, die auch für Kalkablagerungen an Wasserhähnen und in Wasserkochern verantwortlich sind – als Hauptursache für den Leistungsabfall. Diese Ionen lagern sich an der Membran an und blockieren mit der Zeit den Ionentransport.
Einfache Lösung
Die Forscher entwickelten jedoch eine relativ unkomplizierte Lösung: Sie versetzten das verwendete Altwasser mit Schwefelsäure. Der dadurch entstandene Säurepuffer fungiert als ergiebige Protonenquelle, die andere Ionen verdrängt, dadurch die Ionenleitfähigkeit und den Stromfluss aufrechterhält und eine kontinuierliche Wasserstoffproduktion ermöglicht. „Es ist teuer, diese Ionen aus der Membran zu entfernen, deshalb gibt man nur ultrareines Wasser in den Elektrolyseur“, erläutert Ren. „Stattdessen kann man es aber einfach ein wenig ansäuern und ionenhaltiges Wasser in den Elektrolyseur geben. Das System hält dann mehr als 300 Stunden ohne erkennbare Probleme.“
Nach Schätzungen des Forscherteams könnte die Verwendung von aufbereitetem Abwasser anstelle von gereinigtem Wasser die Kosten für die Wasseraufbereitung zur Wasserstoffproduktion um etwa 47 Prozent senken. Die Energiekosten für das Aufbereitungsverfahren könnten sogar um rund 62 Prozent reduziert werden.
Entscheidend für den Erfolg des Verfahrens ist laut Ren, dass „diese Säure rezirkuliert wird und somit nie aus dem System austritt“. Dies sei sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich bedeutsam. Auch die Kalzium- und Magnesiumionen bleiben so in gelöster Form, ohne den Kreislauf in der Anlage zu beeinträchtigen. Ren und sein Team kooperieren nun mit Industriepartnern, um die Skalierbarkeit des Ansatzes zu testen und zu prüfen, ob er auch mit vorbehandeltem Meerwasser als Wasserstoffquelle funktionieren könnte.
„Wir wollten die Möglichkeit, wiederaufbereitetes Wasser für eine nationale Wasserstoffstrategie zu nutzen, gründlich untersuchen“, fasst Ren seine Forschungsarbeit zusammen. Die Studienergebnisse wurden Ende September in der Fachzeitschrift Water Research veröffentlicht.
