Kompakte Kraftwerke für grünen Wasserstoff

Wasserstoff verbrennt ohne CO₂-Freisetzung und sollte nach Möglichkeit ohne CO₂-Fußabdruck entstanden sein. Ein klassisches Verfahren hierfür ist die Elektrolyse. Stammt der zur Elektrolyse benötigte Strom aus erneuer­baren Quellen wie der Photovoltaik, entsteht grüner Wasserstoff. Der Nachteil: Die für diesen Prozess benötigten Elektro­lyseure sind in der Regel große und hoch komplexe Anlagen. Zudem werden die kosten- und wartungs­intensiven Vorrichtungen insbesondere unter den aktuellen welt- und klima­politischen Vorzeichen Mangelware. Eine spannende Alter­native bietet die direkte solare Wasserspaltung (PEC). Im Verbundprojekt Neo-PEC haben Forschende aus drei Fraunhofer-Instituten hierfür eine modulare Lösung entwickelt, die eine hoch flexible Wasserstoff­erzeugung und -versorgung mit Sonnenenergie möglich macht.

Kern der Fraunhofer-Entwicklung ist ein Tandem-PEC-Modul. Es ähnelt seinem klassischen Photo­voltaik-Pendant – mit einem entscheidenden Unterschied: Der Strom wird nicht erzeugt, um später an anderer Stelle zu elektrolysieren. Der gesamte Vorgang läuft in ein und derselben Einheit ab. Da im Prozess Wasserstoff und Sauerstoff entstehen, muss der Aufbau so gestaltet sein, dass diese Elemente strikt voneinander getrennt erzeugt werden und bleiben. Für die Tandemzelle beschichten die Fachleute handelsübliches Float- oder Flachglas auf beiden Seiten mit halb­leitenden Materialien. Bei Sonnen­einstrahlung absorbiert eine Modul-Seite das kurzwellige Licht. Gleichzeitig dringt das langwellige Licht durch die obere Glasschicht und wird auf der Umkehrseite aufgenommen. Dabei setzt das Modul auf der Umkehr- oder Kathoden­seite Wasserstoff und auf der oberen, der Anodenseite, Sauerstoff frei.

Die Wissen­schaftler erforschten und entwickelten über die dreijährige Laufzeit des Projektes hochreine Halbleiter­materialien, die sie mit besonders schonenden Beschichtungs­verfahren aufbringen. Dadurch sind sie in der Lage, die Wasserstoff­ausbeute des Prozesses zu erhöhen. „Über die Gasphase bauen wir Nanometer-dicke Schichten auf dem Glas auf. Die dabei entstehenden Strukturen haben einen großen Einfluss auf die Reaktor-Aktivität, zusätzlich zu den eigentlichen Material­eigenschaften, die wir ebenfalls optimiert haben,“ erläutert Arno Görne, Gruppenleiter Funktionswerkstoffe für hybride Mikrosysteme am Fraunhofer-Institut für Keramische Techno­logien und Systeme IKTS. Die im Modul verknüpften Photovoltaik-Elemente versorgen das System mit einer zusätzlichen Spannung: Sie wirkt wie ein Turbo, der die Aktivität beschleunigt und den Wirkungsgrad zusätzlich steigert.

Im Ergebnis präsentiert sich ein Reaktor, dessen aktive Fläche einen halben Quadratmeter misst. Getrennt vom Sauerstoff erzeugt er den Wasserstoff, der unmittelbar aufgefangen und quantifiziert werden kann. Aktuell erbringt ein einzelnes Modul bei europäischer Sonnen­einstrahlung eine Leistung von mehr als dreißig Kilo Wasserstoff pro Jahr auf einhundert Quadratmeter. Mit dieser Ausbeute könnte beispielsweise ein Wasserstoff­auto 15 bis 20.000 Kilometer zurücklegen. „In den Abmessungen der Tandemzelle sind wir dadurch begrenzt, dass unser Modul das Wasser direkt spaltet, aber hierzu auch Strom von einer Seite auf die andere gelangen muss. Bei zunehmender Modul­fläche wirken sich die steigenden Widerstände ungünstig auf das System aus. Zum aktuellen Stand hat sich das vorliegende Format als optimal erwiesen. Es ist stabil, robust und deutlich größer als alle vergleichbaren Lösungen“, sagt Görne. Die kompakten Elemente können ohne negative Neben­effekte ganz nach Bedarf zusammen­geschaltet werden, von einem Einzelmodul bis zu weiten Arealen.

Das Projekt ist auch ein Beispiel für die instituts­übergreifende Zusammenarbeit: Im Rahmen des nun zum Abschluss gebrachten Vorhabens erforschte das Fraunhofer IKTS Materialien und Prozessierungen für die photoaktive Schicht. Die Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächen­technik IST brachten ihre Erfahrung in der Groß­flächen­beschichtung mittels physikalischer Gasphasen­abscheidung ein. Das Reaktordesign, die günstige und zuverlässige Fertigung und anschließende Evaluierung der Module lag in den Händen der Expertinnen und Experten des Fraunhofer-Centers für Silizium-Photo­voltaik CSP. Dass das Modul und die Zusammen­schaltung stabil und reibungslos funktionieren, haben die Projektpartner in zahlreichen Feldversuchen bereits bewiesen.

Fh.-IKTS / JOL