Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) berichtet über Fortschritte bei der Entwicklung von Fotoreaktoren, die solaren Wasserstoff produzieren können. Es geht dabei im Unterschied zur Photovoltaik zur Stromerzeugung um einen photoelektrochemischen Prozesse, ähnlich wie bei der Fotosynthese. Bei der künstlichen Fotosynthese werden Photonen von einem fotokatalytisch aktiven Material so absorbiert, dass ihre Energie direkt eine chemische Reaktion antreibt. „Inzwischen sind unterschiedliche Fotokatalysatoren bekannt. Mit ihnen lässt sich zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, es lassen sich aber auch klimaneutrale Kraftstoffe aus Wasser und Kohlendioxid herstellen“, sagt Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT.

Bislang war die Technologie allerdings vor allem im Labor zu finden, weil die Kosten einer Produktion von solarem Wasserstoff schlicht zu hoch waren. Auch am Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht arbeitet man daran.

Dem KIT seien nun zusammen mit kanadischen Partnern Fortschritte in Richtung Praxis gelungen. Es geht um hocheffiziente Fotoreaktorpaneele, die in kostengünstigen Modulen zum Einsatz kommen können. Der großflächige Einsatz solcher neuartiger Fotoreaktormodule auf Hausdächern oder in Solarfarmen zur Herstellung von Wasserstoff oder Kraftstoffen sei eine große technologische Chance. „Das könnte den Einsatz fossiler Energieträger schlichtweg überflüssig machen“, sagt Kant.

Optimiertes Reaktorkonzept für den Massenmarkt

Ein effizientes Fotoreaktormodul für die praktische Anwendung müsse im Wesentlichen zwei Komponenten aufweisen. Zum einen müsse ein geeigneter Fotokatalysator zur Verfügung stehen, der die eigentliche chemische Reaktion antreibt. Zum anderen müsse ein Fotoreaktor vorhanden sein, also ein „Behältnis“ für den Fotokatalysator sowie die Ausgangsstoffe der chemischen Reaktion. „Der Fotoreaktor sollte einfallendes Sonnenlicht idealerweise verlustarm zum Fotokatalysator leiten, egal aus welcher Richtung es einfällt, beziehungsweise egal wo am Himmel die Sonne steht“, erklärt Kant.

„Wichtig ist außerdem, dass der Fotoreaktor durch seine Struktur und das verwendete Material optimale Betriebsbedingungen für den Fotokatalysator gewährleistet, etwa die richtige Temperatur oder die passende Intensität bei der Absorption von Licht am Fotokatalysator.“ Das von dem Forschungsteam vorgestellte Fotoreaktorkonzept adressiert genau diese doppelte Herausforderung. Es besteht aus mikrostrukturierten Polymerpaneelen, die für eine hohe Reflektivität mit Aluminium beschichtet werden und ermöglicht sowohl optimale Betriebsbedingungen als auch einen effizienten Transport von Licht zum Fotokatalysator über den gesamten Tagesverlauf. Die Forschenden haben das System mithilfe computergestützter Geometrieoptimierung sowie einem fotokatalytischen Modellsystem entwickelt und konnten es bereits im Labormaßstab demonstrieren.

Zukünftige Fotoreaktormodule ließen sich für unterschiedliche Einsatzzwecke verhältnismäßig einfach auf maximale Effizienz ausgelegen. Eine hohe Effizienz bei der chemischen Reaktion sei allerdings nur ein Teil der Herausforderung, um die künstliche Fotosynthese als eine wirtschaftliche Technologie zu etablieren. Für relevante Produktmengen seien extrem große Flächen für die Fotoreaktorpaneele erforderlich.

„Um die Kosten zu senken, verwenden wir kostengünstige Materialien sowie Geometrien, die in etablierten Massenfertigungsverfahren hergestellt werden können“, sagt Kant. Nach ersten Berechnungen schätzen die Forschenden den Preis auf ungefähr 22 US-Dollar pro Quadratmeter Fotoreaktormodul. 

In weiterführenden Arbeiten wollen die Forschenden nun einen geeigneten Fotokatalysator entwickeln, der effizient Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Ferner umfassen aktuelle Arbeiten Untersuchungen zur Massenproduktion der vorgestellten Paneele. 

21.6.2023 | Quelle: KIT | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH