Solarer Treibstoff per Knopfdruck

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24. April 2023

Solarer Treibstoff per Knopfdruck

Ulmer ForscherInnen ist es nun gelungen, ein System zu entwickeln, das die Herstellung von Wasserstoff aus Lichtenergie zu jeder Tages- und Jahreszeit ermöglicht. Diese photochemische Einheit könnte kĂŒnftig zur nachhaltigen WĂ€rmeerzeugung bis hin zur Betankung wasserstoffbetriebener Lkw und Busse eingesetzt werden – und zwar genau dann, wenn der Bedarf besteht. Da das Licht gespeichert werden kann, wird es möglich, Wasserstoff nachfrageorientiert und sogar bei Dunkelheit zu produzieren.

Der neue Ansatz der baden-wĂŒrttembergischen WissenschaftlerInnen basiert auf einem einzigen MolekĂŒl, das Sonnenlicht aufnehmen, Energie speichern und Wasserstoff herstellen kann. „Lichteinstrahlung fĂŒhrt in unserem MolekĂŒl zur Ladungstrennung und Elektronenspeicherung“, erklĂ€rt Prof. Carsten Streb vom Institut fĂŒr Anorganische Chemie der UniversitĂ€t Ulm (s. HZwei-Heft Apr. 2018). Als Reaktion der Spaltung entsteht ein flĂŒssiger, leicht speicherbarer Treibstoff. Die bedarfsgerechte Erzeugung des gasförmigen Wasserstoffs werde durch die Zugabe einer Protonenquelle erreicht, so Streb.

Die Aussichten fĂŒr den neuen Ansatz sind vielversprechend. Das Team um Prof. Streb hat die LeistungsfĂ€higkeit seines Systems mit verschiedenen Analysemethoden ĂŒberprĂŒft. Im Ergebnis zeigt die molekulare Einheit eine exzellente chemische und photochemische StabilitĂ€t. Der modulare Aufbau des Systems ermöglicht chemische VerĂ€nderungen und eine Optimierung des Gesamtsystems. Somit könnte das Modell auch als eine Art Blaupause fĂŒr dezentrale Energiespeicher dienen.

Vorbild ist die Photosynthese in der Natur

Entwickelt wurde das photochemische System in einem Verbundprojekt. Forschende der UniversitĂ€ten Ulm und Jena haben sich die natĂŒrliche Photosynthese zum Vorbild genommen und neue Materialien fĂŒr die Energiewandlung entwickelt. Ein Beispiel sind kĂŒnstliche Chloroplasten fĂŒr die Wasserstoffherstellung. Die WissenschaftlerInnen haben unter anderem wichtige Strukturanalysen gemacht, die die Reaktion des Katalysators auf Licht beschreiben. Dabei kam unter anderem ein kostenintensives GerĂ€t zur hochauflösenden Massenspektrometrie zum Einsatz, das durch EU-Mittel im Rahmen der regionalen Innovationsstrategie des Freistaates ThĂŒringen angeschafft wurde.

FrĂŒhere Systeme zur Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie waren relativ instabil. Durch die Einbettung der lichtgetriebenen KatalysatormolekĂŒle in weiche Materie ist es dem Konsortium aus Chemie, Physik und Materialwissenschaften gelungen, diesen Prozess zu stabilisieren und zu steuern. Hauptziel des nun verlĂ€ngerten Sonderforschungsbereichs ist es, Grundlagen fĂŒr die effiziente Erzeugung von grĂŒnem Wasserstoff auf dezentraler Basis zu schaffen.

NĂ€chstes Ziel: Weg von seltenen Materialien

Denn derzeit finden sich noch seltene Materialien wie Ruthenium, Platin oder Rhodium in den Katalysatoren. Diese teuren und teils ökologisch bedenklichen Komponenten sollen nun durch leichter verfĂŒgbare Alternativen ersetzt werden, so das Ziel. Zum Beispiel könnten organische Farbstoffe, wie sie in Jena erforscht werden, das Problem lösen. Deren InstabilitĂ€t lĂ€sst sich womöglich bald in den Griff bekommen.

Außerdem soll die MaterialverknĂŒpfung in den Solarenergiewandlern optimiert werden. „Ziel ist ein lichtgetriebener Prozess mit gekoppelter Oxidation und Reduktion. Dazu kommt die Weiterentwicklung physikochemischer Analysemethoden“, erklĂ€rt Prof. Benjamin Dietzek-IvanĆĄić von der UniversitĂ€t Jena. Er ist in der nun gestarteten zweiten Förderphase neuer Sprecher des Projekts. Der Kollege Carsten Streb ist derweil an die Uni Mainz gewechselt und arbeitet dort zu dem Thema weiter.

Das Fernziel bleibt die Herstellung kĂŒnstlicher Chloroplasten: Diese pflanzlichen Zellbestandteile sind dabei fĂŒr die Photosynthese zustĂ€ndig. In Zukunft wird das Konsortium auch mit dem Zentrum fĂŒr Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm kooperieren.

Effizienter als Elektrolyse

Der Bedarf an Wasserstoff ist bereits jetzt hoch und wird weiter wachsen. Derzeit werden weltweit jĂ€hrlich etwa 80 Mio. Tonnen Wasserstoff durch Dampfreformierung hergestellt. Dabei werden immer noch fossile Brennstoffe verwendet und so große Mengen an CO2 freigesetzt. In naher Zukunft muss die Produktion von Wasserstoff emissionsfrei werden oder zumindest mit emissionsarmen Methoden möglich sein.

Bisherige Verfahren zur Herstellung von grĂŒnem Wasserstoff beruhen oftmals auf der Kopplung mehrerer Komponenten wie Photovoltaikzellen, Batterien und Elektrolyseuren. Der Nachteil: Die Energieverluste summieren sich bei jedem Schritt, weshalb die Wasserstoffproduktion nur wenig effizient ist. Der fĂŒr elektrolytische Verfahren benötigte grĂŒne Strom kann zwar aus Windkraftanlegen gewonnen werden, allerdings gehen bei elektrolytischen Verfahren rund 40 Prozent der Energie verloren. „Die derzeitigen Ziele fĂŒr die elektrolytische Herstellung von Wasserstoff innerhalb der EU bis zum Jahr 2050 erfordern 2.800 TWh. Das entspricht dem Strom von 250.000 bis 460.000 neuen Windkraftanlagen“, berechnet Professor Marko Huttula, Leiter eines entsprechenden Projekts, das an der UniversitĂ€t Oulu lĂ€uft.

Der Vorteil von Solarwasserstoff im Vergleich zu elektrolytischem Wasserstoff ist, dass er nur die Energie der Sonne benötigt.

Finnland: Sieben Prozent Wirkungsgrad im Labor

Photokatalytische Prozesse werden weltweit bereits seit Jahrzehnten untersucht und erforscht. Herausforderung ist und bleibt es, einen effizienten und langlebigen Katalysator zu entwickeln. Denn meist zersetzen sich die Katalysatoren zu schnell, oder es werden seltene und teure Metalle benötigt. Auch in Finnland, an der UniversitĂ€t Oulu, wird derzeit ein neuer Katalysator entwickelt, der aus sogenanntem MolybdĂ€nit besteht. Dabei handelt es sich um ein relativ billiges und natĂŒrlich vorkommendes Mineral. Die Verbundstruktur besteht aus geschichtetem MolybdĂ€ndisulfid sowie Nickel- und Silbernanopartikeln, was den Katalysator nach Angaben der Forscher relativ kostengĂŒnstig macht.

Im Labor an der Uni Oulu lieferte der neue Katalysator immerhin 86 Tage hintereinander Wasserstoff, ohne zu zerfallen. Er erreichte dabei einen Wirkungsgrad von sieben Prozent, was mehr ist als der Schwellenwert fĂŒr einen brauchbaren Wirkungsgrad von mindestens fĂŒnf Prozent. Neben der Erzeugung von Wasserstoff reinigt das Verfahren zudem auch das natĂŒrliche Wasser, das fĂŒr die H2-Produktion verwendet wird.

Der Weg ist jedoch noch lang. „Es bedarf noch jahrelanger Forschung, bis die Produktion von Solarwasserstoff in grĂ¶ĂŸerem Maßstab möglich ist“, weiß Professor Huttula: „Die Technologie befindet sich derzeit noch in einem kritischen Entwicklungsstadium.“

Autor: Niels Hendrik Petersen

Bild: Photoreaktor: Bestrahlungsapparat im Institut fĂŒr Anorganische Chemie

Quelle: Heiko Grandel

Quellenangabe:

Wasserstoff ist ein Megatrend

Das Thema Wasserstoff hat es in den vergangenen Jahren aus der Nische auf die große politische BĂŒhne geschafft. Nicht nur in...

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