Was ist die Wasserstoffproduktion aus Meerwasser? Warum so viel Aufmerksamkeit? Welche technischen Schwierigkeiten gibt es?

Warum hat der Erfolg des Pilotversuchs zur Wasserstoffproduktion durch direkte Elektrolyse von Meerwasser so viel Aufmerksamkeit erregt? Wie schwierig ist das? Welche technischen Schwierigkeiten müssen überwunden werden, um Wasserstoff mittels Meerwasserelektrolyse herzustellen?

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Wasserstoffproduktion aus Meerwasser

Die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse gilt als eine sehr wichtige Technologie zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Derzeit verwendet die kommerzialisierte Wasserelektrolysetechnologie Frischwasser als Elektrolyt. Wie wir alle wissen, sind die globalen Süßwasserressourcen äußerst begrenzt, da die großflächige Nutzung von Wasserkraft zur Herstellung von Wasserstoff die Knappheit an Süßwasserressourcen zweifellos verschärft. Im Gegensatz dazu ist Meerwasser reich an Ressourcen, weshalb die Idee der „Meerwasser-Wasserstoffproduktion“ aufkommt.

Im Gegensatz zu Süßwasser, das 96,5 Prozent des gesamten Wasservolumens der Erde ausmacht, hat Meerwasser eine komplexe Zusammensetzung aus mehr als 90 Chemikalien und Elementen. Eine große Anzahl an im Meerwasser enthaltenen Ionen, Mikroorganismen und Partikeln kann bei der Wasserstoffproduktion zu Problemen wie Nebenreaktionskonkurrenz, Katalysatorinaktivierung und Membranverstopfung führen.

Zu diesem Zweck hat die Wasserstoffproduktionstechnologie unter Verwendung von Meerwasser als Rohstoff zwei verschiedene Wege eingeschlagen. Erstens erfolgt die direkte Herstellung von Wasserstoff aus Meerwasser, also auf Basis von natürlichem Meerwasser, hauptsächlich durch Elektrolyse oder Photolyse. Zweitens besteht die indirekte Wasserstoffproduktion von Meerwasser darin, Meerwasser zu entsalzen und Verunreinigungen zu entfernen, Meerwasser zunächst zu entsalzen, um hochreines Süßwasser zu bilden, und dann Wasserstoff zu produzieren.

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Zwei große Vorteile

Offshore-Wasserstoffproduktionsplattformen können als langfristige Energiespeicher oder Produktionsstandorte für Feinchemikalien genutzt werden, wodurch grüne Energie eng in chemische Produktionssysteme integriert werden kann.

Die Offshore-Wasserstoffproduktionsplattform kann das Problem des Verbrauchs weitreichender erneuerbarer Meeresenergie lösen, und die Nutzung erneuerbarer Elektrizität zur Erzeugung von Wasserstoff und grünem Ammoniak vor Ort könnte zur Hauptanwendungsmethode weitreichender erneuerbarer Meeresenergie werden Zukunft.

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Technische Schwierigkeit

Technische Schwierigkeit 1: Viele Verunreinigungen im Meerwasser beeinflussen das Auftreten der Wasserstoffentwicklung an der Kathode

Bei der Wasserelektrolyse wird H2 aus der Kathode ausgefällt. Für die Wasserstoffentwicklungsreaktion an der Kathode besteht das größte Problem darin, dass im natürlichen Meerwasser verschiedene gelöste Kationen wie Na+, Mg2+, Ca2+ usw. vorhanden sind. Es gibt eine Vielzahl von Bakterien, Mikroorganismen und winzigen Partikeln.

Diese Verunreinigungen verstopfen mit fortschreitender Meerwasserelektrolyse die Elektrode und vergiften oder beschleunigen die Alterung der Elektrode/des Katalysators im Elektrolysesystem, was zu einer schlechten Haltbarkeit führt.

Technische Schwierigkeit 2: Chloridionen verursachen anodische Korrosion und beeinflussen die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion

Bei der Elektrolyse von Wasser wird üblicherweise O2 an der Anode abgeschieden. Das Vorhandensein einer großen Anzahl von Chloridionen (Cl-) im Meerwasser führt jedoch zu schwerer Korrosion des Anodenmaterials, was zu Elektrodenschäden und Hochspannung führt und somit die effiziente Sauerstoffentwicklungsreaktion beendet. Darüber hinaus kommt es auch bei der Chloroxidationsreaktion an der Anode zu einer hohen Konzentration an Chloridionen, die das aktive Zentrum des Katalysators besetzen und dadurch die Effizienz der Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode verringern.

Technische Schwierigkeit 3: Konkurrenz zwischen anodischer Sauerstoffentwicklungsreaktion und Sauerstoffchlorierungsreaktion

Bei der Meerwasserelektrolyse durchläuft die Anode zwei Reaktionen, nämlich die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) und die Sauerstoffchlorierungsreaktion (ClOR). Sauerstoffentwicklungsreaktion: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23 V (vs. RHE)

Chloroxidationsreaktion: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71 V (vs. RHE)

Es ist ersichtlich, dass E0 der beiden ähnlich ist, wodurch ein Wettbewerbsverhältnis entsteht, das die Arbeitsspannung des Elektrolyseurs stark einschränkt. Darüber hinaus handelt es sich sowohl bei der ClOR-Reaktion als auch bei der Hypochloritbildung um Zwei-Elektronen-Reaktionen, und die ClOR-Reaktion ist kinetisch einfacher durchzuführen als die OER-Vier-Elektronen-Reaktion, sodass normalerweise beobachtet wird, dass das OER-Überpotential höher ist als das von ClOR.

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Forschungsstand

Derzeit befindet sich die Wasserstoffproduktion aus Meerwasser noch in einem frühen Forschungs- und Teststadium und steht noch vor vielen Herausforderungen, doch die Forschung und Entwicklung der Wasserstoffproduktion aus Meerwasserelektrolyse hat einige Fortschritte gemacht. Im Jahr 2022 gelang dem Team des Akademikers Xie Heping ein großer Durchbruch auf dem Gebiet der direkten Wasserstoffproduktion aus Meerwasser und etablierte auf innovative Weise ein neues Prinzip und eine neue Technologie der direkten Wasserstoffproduktion aus Meerwasser ohne Entsalzung, angetrieben durch Phasenübergang und Migration. Es gibt viele Demonstrationsprojekte zur Meerwasserwasserstoffproduktion im In- und Ausland, aber es handelt sich immer noch um kleine Pilotprojekte, und die meisten davon befinden sich im Bau oder sind geplant.

Obwohl die Wasserstoffproduktion durch Meerwasserelektrolyse von kleinen Pilotversuchen bis zur endgültigen industriellen Anwendung noch einen langen Weg vor sich hat. Wir sind jedoch davon überzeugt, dass diese Technologie, wenn sie schließlich zum Einsatz kommt, im Trillionenbereich der Wasserstoffenergie die tiefgreifendste Spur auf dem Weg der „Dekarbonisierung“ hinterlassen wird!