{"id":124511,"date":"2023-03-27T07:05:00","date_gmt":"2023-03-27T05:05:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=124511"},"modified":"2023-03-23T09:15:46","modified_gmt":"2023-03-23T08:15:46","slug":"gruner-wasserstoff-wie-photoelektrochemische-zellen-wettbewerbsfahig-werden-konnten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/gruner-wasserstoff-wie-photoelektrochemische-zellen-wettbewerbsfahig-werden-konnten\/","title":{"rendered":"Gr\u00fcner Wasserstoff: Wie photoelektrochemische Zellen wettbewerbsf\u00e4hig werden k\u00f6nnten"},"content":{"rendered":"\n\n\n
\"Die
Die photoelektrochemische Zelle: Sonnenlicht erzeugt in der mit Katalysator beschichteten Solarzelle (rechts) eine Photospannung, die Wassermolek\u00fcle spaltet. An der linken Elektrode entsteht Wasserstoff, auf der rechten Seite Sauerstoff. Ein Teil des H2<\/sub>\u00a0reagiert mit\u00a0 Itacons\u00e4ure (IA) weiter zu wertvoller Methylbernsteins\u00e4ure (MSA). \u00a9 M. K\u00fcnsting \/ HZB<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Mit Sonnenlicht l\u00e4sst sich gr\u00fcner Wasserstoff in photoelektrochemischen Zellen (PEC) direkt aus Wasser erzeugen.\u00a0Bisher waren Systeme, die auf diesem ‘direkten Ansatz’ basieren, energetisch nicht wettbewerbsf\u00e4hig. Die Bilanz \u00e4ndert sich jedoch, sobald ein Teil des Wasserstoffs in PEC-Zellen in-situ f\u00fcr erw\u00fcnschte Reaktionen genutzt wird. Dadurch lassen sich wertvolle Chemikalien f\u00fcr die chemische und pharmazeutische Industrie produzieren.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser hergestellt werden, im Idealfall mit Strom aus Windkraft oder Solarmodulen. Dieser “gr\u00fcne” Wasserstoff soll eine wichtige Rolle im Energiesystem der Zukunft spielen. In den letzten zehn Jahren hat die solare Wasserspaltung erhebliche Fortschritte gemacht: Die besten Elektrolyseure, die die ben\u00f6tigte Spannung aus PV-Modulen oder Windkraft beziehen, erreichen bereits Wirkungsgrade von bis zu 30 %. Dies ist der indirekte Ansatz. <\/p>\n\n\n\n

Direkter Ansatz in der PEC-Zelle<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Am HZB-Institut f\u00fcr Solare Brennstoffe arbeiten mehrere Teams an einem direkten Ansatz zur solaren Wasserspaltung: Sie entwickeln Photoelektroden, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, au\u00dferdem in w\u00e4ssrigen L\u00f6sungen stabil sind und die Wasserspaltung katalytisch f\u00f6rdern. Diese Photoelektroden bestehen aus Lichtabsorbern, die mit Katalysatormaterialien beschichtet sind und die aktive Komponente einer photoelektrochemischen Zelle (PEC) bilden. Die besten PEC-Zellen, die auf kosteng\u00fcnstigen und stabilen Metalloxidabsorbern basieren, erreichen bereits Wirkungsgrade von nahezu 10 %. Obwohl PEC-Zellen immer noch weniger effizient sind als PV-getriebene Elektrolyseure, haben sie auch einige Vorteile: So l\u00e4sst sich in PEC-Zellen die W\u00e4rme des Sonnenlichts nutzen, um die Reaktionen zu beschleunigen. Und da die Stromdichten bei diesem Ansatz zehn- bis hundertmal niedriger sind, k\u00f6nnen teure Katalysatoren durch preiswerte Katalysatoren aus reichlich vorhandenen Materialien ersetzt werden.<\/p>\n\n\n\n

Noch nicht wettbewerbsf\u00e4hig<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Bisher haben technisch-\u00f6konomische Analysen (TEA) und Nettoenergiebewertungen (NEA) gezeigt, dass das PEC-Konzept f\u00fcr eine gro\u00dftechnische Umsetzung noch nicht wettbewerbsf\u00e4hig 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). Au\u00dferdem ist der kumulative Energiebedarf f\u00fcr die PEC-Wasserspaltung sch\u00e4tzungsweise vier- bis zwanzigmal h\u00f6her als f\u00fcr die Wasserstofferzeugung mit Windturbinen und Elektrolyseuren. <\/p>\n\n\n\n

Die Idee: wertvolle Chemikalien<\/strong> <\/h3>\n\n\n\n

\u201eHier wollten wir einen neuen Ansatz einbringen”, sagt Dr. Fatwa Abdi vom HZB-Institut f\u00fcr Solare Brennstoffe. Im Rahmen des UniSysCat-Exzellenznetzwerks mit Prof. Reinhard Schom\u00e4cker und Prof. Roel van de Krol untersuchte Abdis Gruppe, wie sich die Bilanz ver\u00e4ndert, wenn ein Teil des produzierten Wasserstoffs im selben Reaktor (in situ) mit Itacons\u00e4ure (IA) zu Methylbernsteins\u00e4ure (MSA) weiterreagiert.<\/p>\n\n\n\n

Energie-R\u00fcckgewinnungszeiten <\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Sie berechneten zun\u00e4chst, wie viel Energie zur Herstellung der PEC-Zelle aus Lichtabsorbern, Katalysatormaterialien und anderen Materialien wie Glas ben\u00f6tigt wird und wie lange sie funktionieren muss, um diese Energie in Form von chemischer Energie als Wasserstoff oder MSA zu erzeugen. F\u00fcr Wasserstoff allein betr\u00e4gt diese \u201eenergetische Amortisationszeit” etwa 17 Jahre, wenn man von einem bescheidenen Wirkungsgrad von 5 % bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff ausgeht. Wenn nur 2 % des erzeugten Wasserstoffs f\u00fcr die Umwandlung von IA in MSA verwendet werden, halbiert sich die energetische Amortisationszeit, und wenn 30 % des Wasserstoffs in MSA umgewandelt werden, kann die Produktionsenergie nach nur 2 Jahren wiedergewonnen werden. \u201eDas macht das Verfahren viel nachhaltiger und wettbewerbsf\u00e4higer”, sagt Abdi. Ein Grund: Die f\u00fcr die Synthese von MSA in einer solchen PEC-Zelle ben\u00f6tigte Energie betr\u00e4gt nur ein Siebtel des Energiebedarfs herk\u00f6mmlicher MSA-Produktionsverfahren.<\/p>\n\n\n\n

Ein flexibles System <\/strong><\/h3>\n\n\n\n

\u201eDas System ist flexibel und kann auch andere wertvolle Chemikalien herstellen, die derzeit am Standort ben\u00f6tigt werden”, erkl\u00e4rt Abdi. Der Vorteil ist, dass die festen Komponenten der PEC-Anlage, die den gr\u00f6\u00dften Teil der Investitionskosten ausmachen, gleichbleiben; lediglich der Hydrierkatalysator und das Einsatzmaterial m\u00fcssen ausgetauscht werden. \u201eDieser Ansatz bietet eine M\u00f6glichkeit, die Produktionskosten f\u00fcr gr\u00fcnen Wasserstoff erheblich zu senken und erh\u00f6ht die wirtschaftliche Machbarkeit der PEC-Technologie”, sagt Abdi. \u201eWir haben das Verfahren sorgf\u00e4ltig durchdacht, und der n\u00e4chste Schritt besteht darin, im Labor zu testen, wie gut die gleichzeitige Herstellung von Wasserstoff und MSA in der Praxis funktioniert.”<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

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