05.07.2023 • Energie

Energiewende mit Wasserstoff vom Dach

Photokatalytisches Modellsystem entwickelt und im Labormaßstab demonstriert.

Bei der künstlichen Photosynthese werden chemische Reaktionen mithilfe von Sonnenlicht durchgeführt. Wie beim natürlichen Vorbild werden Photonen dabei von einem photo­katalytisch aktiven Material so absorbiert, dass ihre Energie direkt eine chemische Reaktion antreibt. „Inzwischen sind unter­schied­liche Photo­kataly­satoren bekannt. Mit ihnen lässt sich zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, es lassen sich aber auch klimaneutrale Kraftstoffe aus Wasser und Kohlendioxid herstellen“, erläutert Paul Kant vom Karlsruher Institut für Technologie. Bislang war die Technologie allerdings vor allem im Labor zu finden, weil die Kosten einer Produktion von solarem Wasserstoff schlicht zu hoch waren. Mit einem Konzept für hoch­effiziente Photo­reaktor­paneele, die in kosten­günstigen Modulen verbaut werden können, ist der Forschungs­gruppe von Kant jetzt jedoch ein entscheidender Schritt in Richtung Praxis gelungen.

Abb.: Labor­demon­strator des neu­artigen Photo­reaktors. (Bild: A....
Abb.: Labor­demon­strator des neu­artigen Photo­reaktors. (Bild: A. Bram­siepe, KIT)

Den großflächigen Einsatz solcher neuartiger Photo­reaktor­module auf Hausdächern oder in Solarfarmen zur Herstellung von Wasserstoff oder Kraftstoffen hält Kant für eine der großen techno­logischen Chancen der Menschheit im Kampf gegen die Klimakrise: „Das könnte den Einsatz fossiler Energieträger schlichtweg überflüssig machen.“

Ein effizientes Photoreaktormodul für die praktische Anwendung muss im Wesentlichen zwei Komponenten aufweisen: Zum einen muss ein geeigneter Photo­kataly­sator zur Verfügung stehen, der die eigentliche chemische Reaktion antreibt. Zum anderen muss ein Photoreaktor vorhanden sein, also ein Behältnis für den Photo­kataly­sator sowie die Ausgangs­stoffe der chemischen Reaktion. „Der Photoreaktor sollte einfallendes Sonnenlicht idealerweise verlustarm zum Photo­kataly­sator leiten, egal aus welcher Richtung es einfällt, beziehungs­weise egal wo am Himmel die Sonne steht“, erklärt Kant.

„Wichtig ist außerdem, dass der Photoreaktor durch seine Struktur und das verwendete Material optimale Betriebs­bedingungen für den Photo­kataly­sator gewähr­leistet, etwa die richtige Temperatur oder die passende Intensität bei der Absorption von Licht am Photo­kataly­sator“, so Kant weiter. Das von dem Forschungsteam vorgestellte Photo­reaktor­konzept adressiert genau diese doppelte Heraus­forderung: Es besteht aus mikro­struktu­rierten Polymer­paneelen, die für eine hohe Reflek­ti­vität mit Aluminium beschichtet werden und ermöglicht sowohl optimale Betriebs­bedingungen als auch einen effizienten Transport von Licht zum Photo­kataly­sator über den gesamten Tagesverlauf. Die Forscher haben das System mithilfe computer­gestützter Geometrie­opti­mierung sowie einem photo­kataly­tischen Modell­system entwickelt und konnten es bereits im Labor­maßstab demonstrieren.

Auf Grundlage einer allgemein­gültigen Richtlinie, die von den Forschern auf Basis einer detail­lierten Analyse ihres Reaktor­konzepts erarbeitet wurden, können zukünftige Photo­reaktor­module nun für unter­schied­liche Einsatz­zwecke verhältnis­mäßig einfach auf maximale Effizienz ausgelegt werden. Eine hohe Effizienz bei der chemischen Reaktion ist allerdings nur ein Teil der Heraus­forderung, um die künstliche Photo­synthese als eine wirt­schaft­liche Technologie zu etablieren. Für relevante Produkt­mengen müssen sehr große Flächen mit Photo­reaktor­paneelen bedeckt werden. „Um die Kosten zu senken, verwenden wir kosten­günstige Materialien sowie Geometrien, die in etablierten Massen­fertigungs­verfahren hergestellt werden können“, sagt Kant. Nach ersten Berechnungen schätzen die Forscher den Preis auf ungefähr 20 Euro pro Quadrat­meter Photo­reaktor­modul.

In weiterführenden Arbeiten unter der Feder­führung von Anselm Dreher wird in den nächsten Schritten nun ein geeigneter Photo­kataly­sator entwickelt, der effizient Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Der Photo­kataly­sator wird anschließend in die vorge­stellten Photo­reaktoren integriert. Ferner umfassen aktuelle Arbeiten Unter­suchungen zur Massen­produktion der vorge­stellten Paneele.

KIT / RK

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