Neuer Prozess für Wasserstoff aus Solarkraftwerken

Ceroxid für eine effizientere, katalytische Spaltung von Wasser und Kohlendioxid.

Ausgewählte Proteine sollen den Weg zur Wasserstoff-Gewinnung über eine künstliche Photosynthese ebnen. Rein chemische Prozesse, die Wasser mit Hilfe von Hitze und Katalysatoren spalten sollen, wirken dagegen weniger elegant. Doch ein Team aus schweizerischen und amerikanischen Wissenschaftlern könnte nun den Schlüssel zu einer hohen Wasserstoffausbeute mit Solar-Turmkraftwerken gefunden haben.

In ihrem Experiment nutzten Aldo Steinfeld von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich und seine Kollegen vom California Institute of Technology in Pasadena eine poröse Keramik aus Ceroxid. Diese heizten sie mit konzentriertem Licht auf bis zu 1640 Grad Celsius auf. Schon ab 900 Grad trennten sich die Sauerstoffatome von den Ceratomen. Um diesen Katalysator ließen die Wissenschaftler sowohl Wasserdampf als auch Kohlendioxid strömen. Dabei zeigte sich die hitzebehandelte Keramik so reaktiv, dass sie sowohl den Wassermolekülen als auch dem Treibhausgas Kohlendioxid die Sauerstoffatome entreißen konnte. Zurück blieb Wasserstoff und das Gas Kohlenmonoxid, das als Basis für Kohlenwasserstoffe und Kunststoffe dienen kann.

"Über 500 Zyklen konnten wir eine stabile und schnelle Erzeugung von Treibstoffen zeigen", berichten die Forscher. Die Ausbeute ihres kleinen Prototyps rangierte allerdings noch bei Werten von unter einem Prozent. Die Ursache dafür sehen die Forscher jedoch nicht in dem chemischen Katalyseprozess selbst. So halten sie mit einem optimierten und vor allem größeren Aufbau ihres Solarreaktors Ausbeuten an Wasserstoff und Kohlenmonoxid von 16 bis 19 Prozent für möglich. Damit wäre Ceroxid für die thermokatalytische Spaltung von Wasser besser geeignet als bisher verwendete Keramiken aus Eisen- oder Zinkoxid.

Die notwendige Hitze für diesen Prozess kann mit Solar-Turmkraftwerken erzeugt werden. Dazu fokussiert ein weites Spiegelfeld die Sonnenstrahlen auf einen kompakten Keramik-Reaktor in der Turmspitze. Zwar werden so in ersten Turmkraftwerken in Südspanien nur Temperaturen von einigen Hundert Grad erreicht, um Wasserdampf zum Antrieb von Turbinen aufzuheizen. Doch mit ausgedehnteren Spiegelflächen und einer stärkeren Konzentration des Sonnenlichts sind höhere Temperaturen von über 1500 Grad durchaus erreichbar.

Mit anderen Keramiken als Ceroxid zerlegten bereits Wissenschaftler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Forschungszentrum Plataforma Solar de Almería (PSA) im spanischen Andalusien Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff. Im Rahmen der Hydrosol-Projekte erreichten sie mit konzentriertem Sonnenlicht Temperaturen von 800 bis 1200 Grad Celsius. Ceroxid-Keramiken könnten auch hier zu Prozessen mit höheren Ausbeuten führen.

Wird Sonnenlicht bisher nur zur Erzeugung von Strom und Wärme kommerziell genutzt, wären solche Reaktoren auch für die klimafreundliche Gewinnung von Treibstoffen und Basissubstanzen für die chemische Industrie geeignet. Von der Wirtschaftlichkeit sind sowohl die thermokatalytischen als auch die der natürlichen Photosynthese nacheifernden Prozesse weit entfernt. Ob und welcher der beiden Wege dieses Ziel erreichen wird, lässt sich heute noch nicht absehen.

Jan Oliver Löfken

Weiterführende Literatur:

• H. Takeda, K. Koike, H. Inoue, O. Ishitani: Development of an Efficient Photocatalytic System for CO₂ Reduction Using Rhenium(I) Complexes Based on Mechanistic Studies. J. Am. Chem. Soc. 130, 2023 (2008)
  doi: 10.1021/ja077752e
• S. C. Roy, O. K. Varghese, M. Paulose, C. A. Grimes: Toward solar fuels: photocatalytic conversion of carbon dioxide to hydrocarbons. ACS Nano 4, 1259 (2010)
  doi: 10.1021/nn9015423
• O. K. Varghese, M. Paulose, T. J. Latempa, C. A. Grimes: High-Rate Solar Photocatalytic Conversion of CO₂ and Water Vapor to Hydrocarbon Fuels. Nano Lett. 9, 731 (2009)
  doi: 10.1021/nl803258p

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