Grüner Wasserstoff: PEC-Wasserspaltung könnte konkurrenzfähig werden

Mithilfe von Sonnenlicht lässt sich in photoelektrochemischen (PEC) Zellen direkt aus Wasser grüner Wasserstoff erzeugen, erläutern Wissenschaftler des Holmholtz Zentrums Berlin in einer Pressemitteilung.

Bisher waren Systeme, die auf diesem „Direktansatz“ basieren, energetisch nicht konkurrenzfähig. Das Gleichgewicht ändert sich jedoch, sobald ein Teil des Wasserstoffs in solchen PEC-Zellen an seinem natürlichen Platz für eine katalytische Hydrierungsreaktion genutzt wird, was zur Koproduktion von Chemikalien führt, die in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verwendet werden. Die energetische Amortisationszeit der photoelektrochemischen „grünen“ Wasserstoffproduktion kann drastisch verkürzt werden, zeigt die Studie.

Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser hergestellt werden, idealerweise mit Solarzellen oder Windkraft, die die benötigte elektrische Energie liefern. Dieser „grüne“ Wasserstoff soll im Energiesystem der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Im letzten Jahrzehnt hat die solare Wasserspaltung erhebliche Fortschritte gemacht: Die besten Elektrolyseure, die die benötigte Spannung aus PV-Modulen oder Windkraft beziehen, erreichen bereits Wirkungsgrade von bis zu 30 %. Dies ist der indirekte Ansatz.

Am HZB-Institut für Solare Brennstoffe arbeiten mehrere Teams an einem direkten Ansatz zur solaren Wasserspaltung: Sie entwickeln Photoelektroden, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, in wässrigen Lösungen stabil sind und die Wasserspaltung katalytisch fördern. Diese Photoelektroden bestehen aus Lichtabsorbern, die eng mit Katalysatormaterialien gekoppelt sind, um die aktive Komponente einer photoelektrochemischen Zelle (PEC) zu bilden. Die besten PEC-Zellen auf Basis kostengünstiger und stabiler Metalloxidabsorber erreichen bereits Wirkungsgrade nahe 10 %. Zwar sind PEC-Zellen immer noch weniger effizient als PV-betriebene Elektrolyseure, sie haben aber auch wichtige Vorteile: In PEC-Zellen kann beispielsweise die Wärme des Sonnenlichts genutzt werden, um die Reaktionen weiter zu beschleunigen. Und weil bei diesem Ansatz die Stromdichten um das Zehn- bis Hundertfache geringer sind, ist es möglich, reichlich vorhandene und sehr kostengünstige Materialien als Katalysatoren zu verwenden.

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Bisherige Analysen haben gezeigt, dass der PEC-Ansatz für eine großtechnische Umsetzung noch nicht konkurrenzfähig ist. Wasserstoff aus PEC-Systemen kostet heute etwa 10 USD/kg, etwa sechsmal mehr als Wasserstoff aus der Dampfreformierung von fossilem Methan (1,5 USD/kg). Darüber hinaus wird geschätzt, dass der kumulierte Energiebedarf für die PEC-Wasserspaltung 4 bis 20 Mal höher ist als für die Wasserstoffproduktion mit Windkraftanlagen und Elektrolyseuren.

„Hier wollten wir einen neuen Ansatz einbringen“, sagt Dr. Fatwa Abdi vom HZB-Institut für Solare Brennstoffe. Abdis Gruppe untersuchte, wie sich das Gleichgewicht ändert, wenn ein Teil des erzeugten Wasserstoffs im selben Reaktor mit Itaconsäure (IA) weiter zu Methylbernsteinsäure (MSA) reagiert.

Sie berechneten zunächst, wie viel Energie für die 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 chemischer Energie als Wasserstoff oder MSA zu produzieren. Allein für Wasserstoff beträgt diese „Energie-Amortisationszeit“ etwa 17 Jahre, wenn man von einem bescheidenen Solar-zu-Wasserstoff-Wirkungsgrad von 5 % ausgeht. Wenn nur 2 % des erzeugten Wasserstoffs zur Umwandlung von IA in MSA verwendet werden, halbiert sich die energetische Amortisationszeit, und wenn 30 % des Wasserstoffs in MSA umgewandelt werden, kann die Produktionsenergie bereits nach 2 Jahren zurückgewonnen werden. „Das macht den Prozess deutlich nachhaltiger und wettbewerbsfähiger“, sagt Dr. Abdi. Ein Grund: Der Energiebedarf für die MSA-Synthese in einer solchen PEC-Zelle beträgt nur ein Siebtel des Energiebedarfs herkömmlicher MSA-Produktionsprozesse.

„Die Anlage ist flexibel und kann auch andere wertvolle Chemikalien produzieren, die gerade am Standort benötigt werden“, erklärt Abdi. Der Vorteil besteht darin, dass die festen Bestandteile der PEC-Einheit, die den Großteil der Investitionskosten ausmachen, gleich bleiben; Lediglich der Hydrierkatalysator und das Einsatzmaterial müssen ausgetauscht werden. „Dieser Ansatz bietet eine Möglichkeit, die Produktionskosten von grünem Wasserstoff deutlich zu senken und die Wirtschaftlichkeit der PEC-Technologie zu erhöhen“, sagt Abdi. „Wir haben den Prozess sorgfältig durchdacht und wollen im nächsten Schritt im Labor testen, wie gut die gleichzeitige Produktion von Wasserstoff und MSA in der Praxis funktioniert.“

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