Siemens-Vision für eine CO2-freie wasserstoffbasierte Energieversorgung

Mit Photonik in die Wasserstoffwirtschaft

Um Wasserstoff allein mit erneuerbaren Energien großindustriell zu erzeugen, sind effiziente Verfahren gefragt. Die Photonik bietet spannende Ansätze und Lösungen.

Automobilhersteller, Turbinenbauer, Stahl- und Chemieunternehmen haben eins gemein: Sie sehen ihre Zukunft in der Wasserstoffwirtschaft. Der Energieträger soll in großem Stil erneuerbare Energien speichern, indem ihn großtechnische Anlagen mithilfe von Wind- und Solarenergie aus Wasser abspalten. Im Juni 2020 hat die deutsche Regierung mit ihrer „Nationalen Wasserstoffstrategie“ und einem neun Milliarden Euro schweren Förderpaket den Aufbruch in die Wasserstoffwirtschaft eingeläutet. Das Gas sei ein „Schlüsselrohstoff für eine erfolgreiche Energiewende“. Die Industrie unterstützt diesen Kurs: Turbinenbauer rüsten ihre Produkte ebenso auf reinen Wasserstoff-Betrieb um, wie Stahlunternehmen ihre Hochöfen. Automobilbauer forcieren die Entwicklung von Brennstoffzellenantrieben und beteiligen sich am Aufbau eines Tankstellennetzes. Und der Chemieverband VCI erklärt den Einsatz von grünem Wasserstoff zur Treibhausgasminderung in seiner Roadmap 2050 für „alternativlos“.

Gesucht: Effiziente Verfahren zur Wasserstofferzeugung

Um Industrieprozesse, den Straßen- und Flugverkehr und Kraftwerke mit dem sauberen Energieträger zu versorgen, müssten allein in Deutschland laut aktuellen Studien jährlich rund 650 Terrawattstunden (TWh) grüner Strom in Wasserstoff gewandelt werden. Doch 2019 lag die deutsche Gesamtproduktion von erneuerbarem Strom knapp unter 240 TWh – was immerhin 46 Prozent der Nettostromerzeugung entsprach. Die Zahlen verdeutlichen das Ausmaß der Herausforderung. Hinzu kommt, dass die bisher etablierten Elektrolyse-Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Strom mit Wirkungsgraden zwischen 70 und 90 Prozent arbeiten: bis zu 30 Prozent des eingesetzten Stroms gehen im Wandlungsprozess verloren.

Schon hier können Laser zur Verbesserung beitragen. Forscher der Fraunhofer-Institute HHI und IFAM haben gemeinsam mit Experten von Amphos und weiteren Partnern im Förderprojekt GreenH2 nachgewiesen, dass die Effizienz der Elektrolyse deutlich zunimmt, wenn Ultrakurzpuls-(UKP)-Laser die metallischen Elektroden strukturieren, um deren elektrochemisch aktive Oberfläche zu vergrößern. Zudem nehmen die Langzeitstabilität und elektrische Leitfähigkeit der UKP-strukturierten Elektroden zu.

Wassermoleküle mit konzentriertem Sonnenlicht spalten

Doch könnte der Beitrag der Photonik zur Wasserstoffwirtschaft künftig über solch punktuelle Beiträge zur Fertigung von Elektrolyseuren hinausgehen. Denn Forscher arbeiten an der photokatalytischen Aufspaltung von Wassermolekülen. Licht statt Strom soll die Verbindung von Wasser- und Sauerstoffatomen lösen.

Bisher favorisieren Wasserstoffproduzenten drei Verfahren: Die alkalische Elektrolyse auf Basis von Kalilauge, die Polymerelektrolytmembranen-(PEM)-Elektrolyse mit Edelmetallkatalysatoren sowie die Hochtemperatur-Elektrolyse mit keramischen Elektrolyten. Dem EU-geförderte Großprojekt Hydrosol liegt die rein solare Spaltung von Sauer- und Wasserstoff zugrunde. Hunderte Parabolspiegel bündeln die brennende andalusische Sonne auf einen Reaktor, der sich auf Temperaturen zwischen 800 und 1400 Grad Celsius erwärmt. Die Spaltung erfolgt in zwei Schritten: Erst werden Redox-Materialien wie Nickel-Ferrit oder Cer-Oxid im Reaktor auf 1400 Grad erhitzt – um diese chemisch zu reduzieren. Sie geben Sauerstoffmoleküle ab und füllen die dadurch entstehende Lücke im zweiten Schritt, indem sie in den Reaktor eingeleitetem Wasserdampf den Sauerstoff entziehen. Der freiwerdende Wasserstoff wird gespeichert. Noch allerdings ist die Forschungsanlage mit einer Wochenproduktion von einigen Kilogramm Wasserstoff weit von industriellen Maßstäben entfernt.

RPE.InfraTherm, ein sächsischer Spezialist für hocheffiziente Infrarot-Strahler auf Basis beschichteter Funktionskeramiken für die Lebensmittel- und Bauindustrie, treibt seit Jahren ein eigenes Verfahren zur Photokatalytischen Spaltung (PKS) voran. Herzstück ist ein Photokatalysator, der von außen mit einer Absorptionskeramik beschichtet ist. Trifft konzentriertes Sonnenlicht auf die Keramik, heizt sie sich laut Geschäftsführer Dr. Peter John schnell auf, weil sie weit mehr Photonen absorbiert als emittiert. Der Schlüssel zu Wasserstoffabspaltung sei aber eine Emissionskeramik im Innern. Laut John sorgt deren Dotierung dafür, dass die Funktionsschicht in hoher Frequenz Infrarote Lichtpulse im Wellenlängenbereich zwischen drei und zehn Mikrometer abgibt. Im katalytischen Prozess wird wahlweise Methan oder Wasserdampf auf Temperaturen von etwa 400 Grad Celsius erwärmt. Die infraroten Lichtpulse bringen die Moleküle in Schwingung, wobei die Amplituden bis zur Lösung der Atombindung steigen und die Abspaltung des Wasserstoffs erfolgt. In Experimenten haben die Sachsen mit ihrem PKS-Verfahren nach eigenen Angaben Wirkungsgrade von über 30 Prozent erreicht und die Machbarkeit nachgewiesen. Zusammen mit ihrem Investor SPS Group und einem global agierenden Stahlkonzern werden sie nun erste Prototypen realisieren. Angestrebt ist dabei ein Niveau der variablen Kosten zwischen 0,05 Euro pro Kilogramm Wasserstoff bei der Spaltung von Wasser und 0,50 Euro pro Kilogramm bei der Spaltung von Methan. Wobei der freigesetzte reine Kohlenstoff hohen Wert für andere Hightech-Anwendungen habe.

Materialforschung für die photokatalytische Wasserspaltung

An der Uni Wien arbeiten Forscher derweil an einem besseren Verständnis der Wechselwirkung von Photonen, Katalysatoren und Wassermolekülen, um künftig zielgerichteter Katalysatormaterialien für die photokatalytische Wasserspaltung entwickeln zu können. Dabei geht es ihnen darum, genau zu verstehen, was im Vorfeld und während der Spaltung auf molekularer Skala an den Grenzflächen vor sich geht. Um den Reaktionsweg von Wasser zu Wasserstoff sowie das Verhalten der Moleküle unter dem Einfluss von Photonen nachzuvollziehen, nutzen sie – wie sollte es anders sein – photonische Verfahren: Sie aktivieren Titanoxid-Katalysatoren mit UV-Laserpulsen und analysieren die Reaktion an den Grenzflächen per Oberflächenschwingungsspektroskopie. Prof. Ellen Mezger-Backus berichtete unter anderem auf dem World of Photonics Congress 2019 über diese Forschungen.

Ähnliche Pfade beschreiten auch Forscher des California Institute of Technology – CalTech. Sie sind auf der Suche nach Katalysator-Materialien, die eine hocheffiziente photokatalytische Wasserspaltung gewährleisten und trotz der ständigen Bindung und Abgabe von Sauerstoff über Jahre oder sogar Jahrzehnte stabil bleiben. Mithilfe automatisierter, softwaregestützter Analysen fahnden sie nach der optimalen Materialkombination. Das Rennen um die wirksamen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist in vollem Gange. Ob sich darin elektrolytische oder photokatalytische Prozesse durchsetzen – die Photonik wird auf jeden Fall ein Gutteil zur Lösung beitragen.

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