Forscher haben mit einer emissionsarmen Methode Wasserstoff und Graphen aus Kunststoffabfällen gewonnen. Dadurch werden nicht nur Umweltprobleme wie Plastikverschmutzung und Treibhausgasproduktion gelöst, sondern der Wert des Graphen-Nebenprodukts könnte auch die Kosten für die Wasserstoffproduktion ausgleichen, sagen sie. Mit Wasserstoff lassen sich Autos antreiben, Strom erzeugen und Häuser und Unternehmen heizen. Wasserstoff enthält pro Gewichtseinheit mehr Energie als fossile Brennstoffe, was aus ökologischer Sicht wichtig ist, da die Hauptursache für die globalen Treibhausgasemissionen das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzte Kohlendioxid ist.
Mehr als 95 % des derzeit verkauften Wasserstoffs werden durch Dampfreformierung von Methan synthetisiert, wodurch 11 Tonnen (12 Tonnen) Kohlendioxid pro Tonne Wasserstoff entstehen, der überwiegende Teil davon ist grauer Wasserstoff. Im Vergleich dazu ist „grüner Wasserstoff“, der durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Sonne, Wind oder Wasser zur Zerlegung von Wasser in seine Elemente hergestellt wird, teuer und kostet etwa 5 US-Dollar pro zwei Pfund (etwa ein Kilogramm) Wasserstoff.
Forscher der Rice University haben nun eine Möglichkeit entwickelt, wertvollen Wasserstoff und Graphen aus Kunststoffabfällen zu gewinnen. Dabei handelt es sich um eine emissionsarme, katalysatorfreie Methode, die sich möglicherweise amortisiert.
„In dieser Arbeit wandeln wir Kunststoffabfälle, einschließlich gemischter Kunststoffabfälle, die nicht nach Typ sortiert oder gereinigt werden müssen, in Wasserstoff mit hoher Ausbeute und hochwertiges Graphen um“, sagte Kevin Wyss, Erstautor der Studie. „Wenn das produzierte Graphen für nur 5 % des aktuellen Marktwertes verkauft würde – ein Rabatt von 95 %! – könnte sauberer Wasserstoff kostenlos produziert werden.“
Beim Dampf-Methan-Reformierungsprozess wird Hochtemperaturdampf (1292 °F bis 1832 °F/700 °C bis 1000 °C) verwendet, um Wasserstoff aus Methanquellen wie Erdgas zu erzeugen. Methan reagiert mit Wasserdampf unter Einwirkung eines Katalysators zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.
James Tour, einer der korrespondierenden Autoren der Studie, sagte: „Die derzeit hauptsächlich verwendete Form von Wasserstoff ist ‚grauer‘ Wasserstoff, der durch Dampf-Methan-Reformierung hergestellt wird, eine Methode, die große Mengen Kohlendioxid erzeugt. Die Nachfrage nach Wasserstoff wird in den kommenden Jahrzehnten wahrscheinlich stark ansteigen. Wenn wir also bis 2050 wirklich Netto-Null-Emissionen erreichen wollen, können wir Wasserstoff mit den bisherigen Methoden nicht mehr herstellen.“
Kunststoffabfälle verbleiben über lange Zeiträume in der Umwelt, bedrohen die Tierwelt und übertragen Giftstoffe auf Tiere und Menschen. In der aktuellen Studie setzten die Forscher Kunststoffabfälle etwa vier Sekunden lang einer schnellen Jouleschen Blitzerwärmung aus. Wenn die Temperatur auf 3.100 Kelvin ansteigt, verdampft der Wasserstoff im Kunststoff und zurück bleibt Graphen, ein leichtes und haltbares Material, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Graphen kann in Bereichen wie Elektronik, Energiespeicherung, Sensoren, Beschichtungen, Verbundwerkstoffen und biomedizinischen Geräten eingesetzt werden, um nur einige seiner Anwendungen zu nennen.
„Als wir zum ersten Mal die Flash-Joule-Erwärmung entdeckten und sie zur Aufbereitung von Kunststoffabfällen in Graphen einsetzten, beobachteten wir, dass große Mengen flüchtiger Gase erzeugt und aus dem Reaktor ausgestoßen wurden“, sagte Wyss. „Wir wollten wissen, was sie waren, vermuteten eine Mischung aus kleinen Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff, aber es fehlten uns die Instrumente, um ihre genaue Zusammensetzung zu untersuchen.“
Mit Mitteln des U.S. Army Corps of Engineers besorgten sich die Forscher die nötige Ausrüstung zur Analyse der Vergasungsinhalte und stellten später fest, dass ihre Vermutungen richtig waren: Der Prozess produzierte Wasserstoff.
„Wir wissen zum Beispiel, dass Polyethylen zu 86 Prozent aus Kohlenstoff und zu 14 Prozent aus Wasserstoff besteht, und wir haben gezeigt, dass wir bis zu 68 Prozent des darin enthaltenen atomaren Wasserstoffs als Gas mit einer Reinheit von 94 Prozent zurückgewinnen können. Für mich war die Entwicklung der Methoden und des Fachwissens zur Charakterisierung und Quantifizierung aller durch diese Methode erzeugten Gase, einschließlich Wasserstoff, ein schwieriger, aber lohnender Prozess“, sagte Wyss.
Basierend auf einer Ökobilanz sagen die Forscher, dass ihre Methode weniger Emissionen verursacht als andere Wasserstoffproduktionsmethoden. Die Ökobilanz ist eine Technik zur Analyse der gesamten Umweltauswirkungen und Ressourcenanforderungen, die mit Produktionsmethoden verbunden sind.
Im Vergleich zu anderen Wasserstoffproduktionsmethoden aus Kunststoffabfällen oder der Dekonstruktion von Biomasse bietet der Flash-Wasserstoffproduktionsprozess Verbesserungen sowohl beim kumulierten Energiebedarf (33–95 % Energiereduktion) als auch bei den Treibhausgasemissionen (65–89 % Emissionsreduktion). Die Forscher sagen, dass ein Vorteil ihres Flash-Joule-Erhitzungsverfahrens darin besteht, dass Kunststoffabfälle nicht gereinigt oder getrennt werden müssen, sodass das Abfallmaterial zur Herstellung von sauberem Wasserstoff zu negativen Kosten verwendet werden kann. Sie planen, den Flash-Joule-Heizmechanismus besser zu verstehen, um seine Skalierbarkeit zu verbessern und die Wasserstoffproduktion zu optimieren.