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Wasserstoff aus Sonnenlicht: Forscher optimieren PEC-Zelle

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Autor: Magnus Schwarz

27. März 2023 | Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat eine Studie zur Produktion von grünem Wasserstoff in photoelektrochemischen Zellen (PEC) veröffentlicht. Das Ergebnis: Mit der richtigen Optimierung wäre er wettbewerbsfähig.

Bisher waren Systeme, die auf dem ‘direkten Ansatz’ basieren, energetisch nicht wettbewerbsfähig. Die Bilanz ändert sich laut dem HZB aber, sobald ein Teil des Wasserstoffs in PEC-Zellen in-situ für spezielle chemische Reaktionen genutzt wird.

So ließen sich wertvolle Chemikalien für die chemische und pharmazeutische Industrie produzieren. Gleichzeitig könne die Zeit für die Energie-Rückgewinnung des direkten Ansatztes mit der PEC-Zelle drastisch verkürzt werden, was sie perspektivisch wettbewerbsfähig mache.

Wasserstoffproduktion: direkt vs. indirekt

In den letzten zehn Jahren hat die solare Wasserspaltung erhebliche Fortschritte gemacht. Die besten Elektrolyseure, die die benötigte Spannung aus PV-Modulen oder Windkraft beziehen, erreichen Wirkungsgrade von bis zu 30 %. Dies ist der indirekte Ansatz.

Am HZB-Institut für Solare Brennstoffe arbeiten Teams am direkten Ansatz: Sie entwickeln Photoelektroden, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, in wässrigen Lösungen stabil sind und die Wasserspaltung katalytisch fördern.

Wasserstoff aus Sonnenlicht

Die photoelektrochemische Zelle: Sonnenlicht erzeugt in der mit Katalysator beschichteten Solarzelle (rechts) eine Photospannung, die Wassermoleküle spaltet. An der linken Elektrode entsteht Wasserstoff, auf der rechten Seite Sauerstoff. Ein Teil des H2 reagiert mit Itaconsäure (IA) weiter zu Methylbernsteinsäure (MSA) (Quelle: M. Künsting / HZB)

Diese Photoelektroden bestehen aus Lichtabsorbern, die mit Katalysatormaterialien beschichtet sind und die aktive Komponente einer PEC bilden. PEC-Zellen basieren auf kostengünstigen und stabilen Metalloxidabsorbern. Die effizientesten erreichen dem Institut zufolge Wirkungsgrade von knapp 10 %.

Obwohl PEC-Zellen damit immer noch weniger effizient sind als PV-getriebene Elektrolyseure, haben sie einige Vorteile. In PEC-Zellen lässt sich die Wärme des Sonnenlichts nutzen, um die Reaktionen zu beschleunigen. Und da die Stromdichten bei diesem Ansatz zehn- bis hundertmal niedriger sind, können teure Katalysatoren durch preiswertere Katalysatoren ersetzt werden.

Noch zu kostspielig

Bisher haben technisch-ökonomische Analysen (TEA) und Nettoenergiebewertungen (NEA) gezeigt, dass das PEC-Konzept für eine großtechnische Umsetzung noch nicht wettbewerbsfähig ist. Wasserstoff aus PEC-Systemen kostet heute etwa 10 US-Dollar/kg, etwa sechsmal mehr als Wasserstoff aus der Dampfreformierung von fossilem Methan (1,5 US-Dollar/kg).

Außerdem sei der kumulative Energiebedarf für die PEC-Wasserspaltung vier- bis zwanzigmal höher als für die Wasserstofferzeugung mit Windturbinen und Elektrolyseuren.

Hier wählte Dr. Fatwa Abdi vom HZB-Institut für Solare Brennstoffe einen neuen Ansatz. Im Rahmen des UniSysCat-Exzellenznetzwerks mit Prof. Reinhard Schomäcker und Prof. Roel van de Krol untersuchte seine Gruppe, wie sich die Bilanz verändert, wenn ein Teil des produzierten Wasserstoffs im selben Reaktor (in situ) mit Itaconsäure (IA) zu Methylbernsteinsäure (MSA) weiterreagiert. Das

Reduktion der Amortisationszeit

Sie berechneten zunächst, wie viel Energie zur Herstellung der PEC-Zelle aus Lichtabsorbern, Katalysatormaterialien und anderen Materialien wie Glas benötigt wird und wie lange sie funktionieren muss, um diese Energie in Form von chemischer Energie als Wasserstoff oder MSA zu erzeugen.

Für Wasserstoff allein liegt diese „energetische Amortisationszeit” bei etwa 17 Jahren, wenn man von einem Wirkungsgrad von 5 % bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff ausgeht.

Verwende man nun 2 % des erzeugten Wasserstoffs für die Umwandlung von IA in MSA, halbiere sich die energetische Amortisationszeit. Bei einer Umwandlung von 30 % des Wasserstoffs in MSA sei die Produktionsenergie sogar nach nur 2 Jahren rückgewinnbar.

„Das macht das Verfahren viel nachhaltiger und wettbewerbsfähiger”, so Abdi. Ein Grund: Die für die Synthese von MSA in einer solchen PEC-Zelle benötigte Energie betrage nur ein Siebtel des Energiebedarfs herkömmlicher MSA-Produktionsverfahren.

Preis für grünen Wasserstoff senken

„Das System ist flexibel und kann auch andere wertvolle Chemikalien herstellen, die derzeit am Standort benötigt werden”, erklärt Abdi.

Der Vorteil: Die festen Komponenten der PEC-Anlage, die den größten Teil der Investitionskosten ausmachen, bleiben gleich. Lediglich der Hydrierkatalysator und das Einsatzmaterial werden ausgetauscht.

„Dieser Ansatz bietet eine Möglichkeit, die Produktionskosten für grünen Wasserstoff erheblich zu senken und erhöht die wirtschaftliche Machbarkeit der PEC-Technologie”, sagt Abdi.

 

„Wir haben das Verfahren sorgfältig durchdacht, und der nächste Schritt besteht darin, im Labor zu testen, wie gut die gleichzeitige Herstellung von Wasserstoff und MSA in der Praxis funktioniert.”

 

(Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin / 2023)

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