Doppelte Solar-Elektrolyse spaltet Wasser und Kohlendioxid

Für die Synthese von Ammoniak oder Methanol sind Wasserstoff und Kohlenmonoxid unverzichtbar. Das Gemisch beider Gase – Synthesegas genannt – kann aus der Vergasung von Kohle gewonnen werden. Doch werden bei diesem Prozess große Mengen Kohlendioxid freigesetzt, die in der Atmosphäre den Treibhauseffekt verstärken. Eine Arbeitsgruppe an der George Washington University entwickelte nun ein ausgeklügeltes Elektrolyse-Verfahren, mit dem sich Synthesegas klimafreundlich über den Einsatz von Solarenergie gewinnen ließ.

Stuart Licht und seine Kollegen vom Department of Chemistry koppelten für die Erzeugung von Synthesegas zwei Elektrolyse-Prozesse. Beim ersten wurden Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff, beim zweiten Kohlendioxid in Sauerstoff und Kohlenmonoxid gespalten. Für diese Reaktionen nutzten die Forscher die Wärmestrahlung des Sonnenlichts und elektrischen Strom, der von einer hoch effizienten Konzentrator-Solarzelle erzeugt wurde.

Um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, verwendete Licht allerdings weder Wasser noch Kohlendioxid in seiner reinen Form. Stattdessen gingen sie den Umweg über geschmolzene Salze. In der ersten Elektrolyse-Kamer heizten sie Lithium­karbonat auf 950 Grad auf und ließen durch zwei Elektroden einen Strom mit einer Spannung von 1,25 Volt fließen. Dabei wurde Kohlenmonoxid und Sauerstoff freigesetzt. Das zurückbleibende Lithiumoxid konnte danach wieder durch Aufnahme des Treibhausgases Kohlendioxid zu Lithium­karbonat regeneriert werden. Die zweite Elektrolyse-Kammer füllte Licht mit einer Mischung aus Lithium­hydroxid und Natriumhydroxid. Aufgeheizt auf 300 Grad setzte bei einer Spannung von 1,42 Volt die Elektrolyse ein, bei der Wasserstoff und Sauerstoff entstand.

Das Aufheizen war nötig, um die Elektrolyse mit dem Strom aus einer mehrschichtigen Solarzelle auf der Basis von Germanium, Gallium­indium­arsenid und Gallium­indium­phosphid betreiben zu können. Bei niedrigeren Temperaturen hätte die Spannung von insgesamt 2,67 Volt nicht für die elektrolytische Spaltung in den in Reihe geschalteten Kammern ausgereicht. Zusätzlich zu der mit 38 Prozent Wirkungsgrad sehr effizienten photovoltaischen Umwandlung von Sonnenlicht nutzten Licht und Kollegen auch die infraroten Anteile im Sonnenlicht, um zumindest etwas Wärme für das Aufheizen der Lithiumsalze bereit zu stellen. Für ihre Laborversuche mussten die Forscher allerdings zusätzlich elektrisch heizen, um die hohen Temperaturen von bis zu 950 Grad zu erreichen.

Wirtschaftlich interessant ist dieses Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlen­monoxid wegen des zusätzlichen Heizbedarfs noch nicht. Doch könnte die Prozesswärme in zukünftigen Elektrolyse-Verfahren in Solarturmkraftwerken klimaneutral gewonnen werden. Am Solarturm in Jülich etwa ließ sich ein Receiver aus porösem Siliziumkarbid durch gebündeltes Sonnenlicht, von über 2000 Spiegeln auf den Solarturm reflektiert, bereits auf bis zu 1000 Grad aufheizen.

Nicht nur für diese solar betriebenen Elektrolyse-Prozesse konnte die Arbeitsgruppe um Stuart Licht bereits wichtige Erkenntnisse beitragen. Erst vor einigen Wochen stellten sie auf der Jahrestagung der American Chemical Society in Boston ein Verfahren vor, mit dem sich wirtschaftlich wertvolle Kohlefasern aus Kohlendioxid synthetisieren ließen. In einen hitzefesten Tiegel aus Aluminiumoxid füllten sie Lithiumkarbonat, schmolzen es bei über 723 Grad und mischten lösliches Lithiumoxid hinzu. In die Schmelze hielten sie Elektroden aus Stahl und Nickel.

Mehrere Reaktionen liefen nun in diesem Tiegel ab. Lithiumoxid reagierte mit dem Kohlendioxid in der Luft zu weiterem Lithium­karbonat. Floss nun ein Strom über die Elektroden durch die Schmelze, spaltete sich Lithium­karbonat elektrolytisch auf. An der Stahlelektrode lagerte sich – unterstützt durch winzige Nickelteilchen – reiner Kohlenstoff in Form von extrem dünnen Fasern ab. Die Länge dieser Kohlenstofffasern schwankte zwischen 20 und 200 Mikrometern bei Durchmessern von 200 bis 300 Nanometern. Parallel entwich der Schmelze Sauerstoff. Nach dieser Elektrolyse blieb Lithiumoxid zurück, das wiederum mit CO₂ zu neuem Lithiumkarbonat reagierte. Licht schätzte die Energiekosten für seine Faser­produktion auf etwa 1000 Dollar pro Tonne, wenn Strom und Wärme ausschließlich aus Sonnenlicht gewonnen würden.

Jan Oliver Löfken

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