Hzwei Blogbeitrag

Beitrag von Sven Geitmann

10. Januar 2017

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Wasserstoff-Erzeugung mittels Photosynthese

Juelich

© HZB, M. May


Wasserstoff gilt als hocheffizienter und nahezu idealer Energiespeicher. Seine Bedeutung wächst im Zuge der unsteten Gewinnung erneuerbarer Energien. Allerdings verursacht der Umweg der klassischen Wasserstofferzeugung aus Solarstrom mit anschließender Elektrolyse Wirkungsgraddefizite. Daher könnte die künstliche Photosynthese eine interessante Alternative werden. An entsprechenden Verfahren arbeiten Forscher weltweit. Entscheidend für das Gelingen und die Effizienz sind geeignete Werkstoffe für die Zellen. Technologisch ist der Kampf um die besten Wirkungsgrade, die sich in den letzten Jahren fast verdoppelt haben, voll entbrannt.
Pflanzen gelingt es seit Urzeiten, Sonnenlicht mittels Photosynthese in chemische Energie umzuwandeln. Technisch gewonnene Solarenergie ist zwar weltweit und reichlich verfügbar, aber leider nicht stets und überall. Lösungen, bei denen der solare Strom mittels Batterie oder Wasserstoff gespeichert wird, sind derzeit noch eher unzulänglich. Dabei ließe sich die gewonnene Solarenergie in Form von Wasserstoff deutlich besser speichern als elektrischer Strom. Prof. Roel van de Krol, Leiter des Instituts für Solare Brennstoffe beim Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), erläutert: „Ein Kilogramm Brennstoff, wie etwa Wasserstoff, speichert circa 100-mal so viel Energie wie eine entsprechende Batterie.“ Eine besonders interessante Speicherlösung ist die künstliche Photosynthese nach dem Vorbild der Natur, woran derzeit weltweit geforscht wird.
Künstliches Blatt erzeugt Wasserstoff
Es ist heute bereits möglich, mit künstlichen Systemen auf Halbleiterbasis Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Ein dafür benötigtes „künstliches Blatt“ besteht aus einer Solarzelle, zwei Elektroden und einer Membran, kombiniert mit weiteren funktionalen Schichten. Wird solch ein Element in Wasser getaucht und mit Sonnenlicht bestrahlt, spaltet die gewonnene elektrische Energie an der Fotoanode Wasser in Sauerstoffatome, Protonen und Elektronen, also Wasserstoff. Während der Sauerstoff in einer Kammer verbleibt, werden die Elektronen und Protonen durch die Membran in eine zweite Kammer transportiert, wo eine Fotokathode sie in einem zweiten Schritt zu Wasserstoff kombiniert.
Gegenwärtig gibt es jedoch noch mehrere Probleme zu lösen: So muss trotz der zusätzlich nötigen Materialschichten noch ausreichend Licht in die Solarzelle gelangen, um die Spannung für die Wasserspaltung zu erzeugen. Darüber hinaus halten die Halbleitermaterialien, aus denen Solarzellen in der Regel bestehen, dem mit Säure versetzten Wasser gegenwärtig nicht lange stand. Daher braucht das künstliche Blatt eine stabile Schutzschicht, die gleichzeitig transparent und leitfähig sein muss. Die Siliziumelektroden werden dabei jeweils mit einer Nanoschicht aus Titandioxid umhüllt, die vor Korrosion im Wasser schützt. Mit diesem neuen Verfahren konnten die Forscher des Helmholtz-Zentrums kürzlich eine Sonne-zu-Wasserstoff-Effizienz von immerhin rund zwölf Prozent erreichen.
Wirkungsgrade über 15 %
Einem internationalen Forscher-Team vom Helmholtz-Zentrum Berlin, der TU Ilmenau, dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme und dem Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) des California Institute of Technology ist es gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung weiter zu steigern. Der neue Bestwert liegt nun bei 14 Prozent. Dafür nutzten sie Tandemsolarzellen aus sogenannten III-V-Halbleitern. Damit sind nach Angaben der Forscher Effizienzsteigerungen auf über 15 Prozent und eine Stabilität der Zellen von über 1.000 Stunden zu erreichen. Bei der Langzeitstabilität gibt es riesige Fortschritte: Anfänglich hielten die Proben nur wenige Sekunden, bevor ihre Leistung einbrach. Nach rund einem Jahr Optimierung bleiben sie über 40 Stunden lang stabil. Dazu wurden die empfindlichen Halbleiter mit einer extrem dünnen organischen und transparenten Schutzschicht aus vernetzten Kohlenstoffatomen versehen.

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Autor: Edgar Lange

1 Kommentar

  1. Jürgen Heinrich

    Hurra,
    es geht auch ohne das ausgebremste EEG weiter.
    Der nächste Schritt muss es sein, daß wir uns aus der Förderpolitik der Bundesregierung verabschieden und vor Ort eigene Wege zum Gelingen der Energiewende gehen. Der einzig erfolgversprechende Weg ist sowieso “der Dezentrale Weg” und es ist an der Zeit nachfolgenden Generationen eine Umbewohnbarkeit unseres Planeten zu ersparen!

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