Die Natur macht es vor: In der Photosynthese produzieren Pflanzen energiereiche Verbindungen nur mithilfe von CO2, Wasser und Licht. Möglich wird dies durch spezielle Enzyme, die als Photokatalysatoren die nötigen Reaktionen anstoßen. Dieses Prinzip ahmen die sogenannten Solar-to-Gas-Verfahren nach. Wie beim natürlichen Vorbild löst auch bei ihnen das einfallende Licht eine chemische Reaktion aus, durch die Wasserstoff entsteht. Speziell entwickelte, lichtaktive Materialien nehmen dabei die Energie der Sonnenstrahlung auf und werden dadurch in einen angeregten Zustand versetzt. Dies setzt Elektronen frei, die die Spaltung von Wasser (H₂O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) anstoßen.
Mit Sonnenlicht und Katalysator
Nach diesem Prinzip funktionieren Solarpaneele, die Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelt haben. „Wir überspringen den Umweg über stromgebundene Elektrolyse und produzieren chemische Energie aus Sonne und Wasser“, erklärt Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT. Er hat gemeinsam mit Kollegen die KIT-Ausgründung photreon initiiert, die nun die technische Umsetzung übernimmt und das System zur Marktreife führen soll.
Kernelement der solaren Wasserstoffanlage sind zahlreiche, parallel laufende Reaktionskanäle. „Im Querschnitt besteht ein solcher Kanal aus einem V-förmigen Konzentrator, der Licht aus verschiedenen Einfallsrichtungen einfängt und in eine röhrenförmige, verspiegelte Kammer leitet“, erklären die Forschenden. In der Reaktorkammer entstehen dadurch optimale Temperaturen und Lichtintensitäten für den Photokatalysator. Das neue Photoreaktor-Paneel habe dadurch eine vierfach höhere photokatalytische Effizienz als ein einfacher Photoreaktor aus Glaskapillaren, so Kant. Durch die Reaktionskammer fließt Wasser, das dann durch den Katalysator in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird.
Kostengünstige Materialien und modulare Bauweise
Die modularen Paneele mit integriertem Wasserstoffreaktor sollen die solare Wasserstofferzeugung vereinfachen und günstiger machen. „Photovoltaik und Elektrolyseur werden in einem Prozessschritt durch das Photoreaktor-Paneel ersetzt“, erklärt Mitgründerin Maren Cordts vom IMVT. „Das senkt die Systemkosten und -komplexität bei der Produktion von grünem Wasserstoff erheblich.“ Das Design der Module ist zudem so ausgelegt, dass es durch gängige Massenproduktionsverfahren gefertigt werden kann – und aus kostengünstigen Materialien: Die Grundstruktur der Paneele besteht aus den gängigen Kunststoffen Polycarbonat und Polyethylen, die Reflektorschicht aus aufgesprühtem Aluminium. „Die Materialkosten für diese Komponenten liegen bei nur rund 9,40 US-Doller pro Quadratmeter“, berichten Kant und sein Team.
Durch den modularen Ansatz können die neuen Wasserstoff-Paneele sowohl für kleine, dezentrale Anwendungen als auch für große Anlagen verwendet werden. So könnten beispielsweise mittelständische Unternehmen – etwa in der Spezialchemie, Lebensmittelindustrie oder Metallverarbeitung – damit ihren Wasserstoffbedarf decken. Die Module sind aber auch für die industrielle Gewinnung von grünem Wasserstoff in sonnenreichen Regionen geeignet. „Gerade dort, wo weder Stromnetze noch eine Anbindung an ein Wasserstoffnetz vorhanden sind, eröffnet unsere Technologie neue Spielräume für die lokale Erzeugung“, sagt Cordts.
Quelle: Karlsruher Institut für Technologie, photreon
