{"id":55008,"date":"2018-07-27T07:26:19","date_gmt":"2018-07-27T05:26:19","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=55008"},"modified":"2021-09-09T21:33:57","modified_gmt":"2021-09-09T19:33:57","slug":"energiewende-wasserstoff-aus-sonnenlicht","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/energiewende-wasserstoff-aus-sonnenlicht\/","title":{"rendered":"Energiewende: Wasserstoff aus Sonnenlicht"},"content":{"rendered":"
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Das Bild zeigt eine Solarzelle, die gleichzeitig Strom erzeugt und Wasser spaltet. Sie nimmt Wasser auf und atmet Wasserstoff und Sauerstoff aus. Bild: Andreas Kubatzki\/HZB<\/figcaption><\/figure>\n

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Das h\u00e4ufigste Element im Universum wird eine Schl\u00fcsselrolle im Energiesystem der Zukunft spielen. Mit Wasserstoff l\u00e4sst sich die Erzeugung von Strom, W\u00e4rme und Kraftstoffen verbinden. Damit das gelingt, sind noch einige technische H\u00fcrden zu nehmen. Ein gro\u00dfer Fortschritt w\u00e4re es, Sonnenlicht direkt in das Gas umzuwandeln.<\/strong><\/p>\n

Was ist der bedeutendste Energietr\u00e4ger \u00fcberhaupt? Ein Blick ins Universum kl\u00e4rt die Frage schnell: Wasserstoff. Denn ein Kilogramm des leichtesten aller Elemente liefert \u00fcber 170 Gigawattstunden Energie, wenn es im Inneren eines Sterns zu Helium verschmilzt. Auf der Erde ist die Kernfusion noch Zukunftsmusik. Trotzdem kann Wasserstoff ein wichtiger Baustein nachhaltiger Energiesysteme sein. Denn wenn er sich mit Sauerstoff verbindet, liefert jedes Kilogramm noch 33,3 Kilowattstunden Energie, fast dreimal mehr als die gleiche Menge Benzin. Diese Energiedichte machen sich beispielsweise Raketentriebwerke wie das der Ariane 5 zu Nutze, wenn sie Satelliten ins Weltall transportieren. Wasserstoff muss aber nicht unbedingt mit offener Flamme verbrennen, um seine Energie freizugeben. In Brennstoffzellen etwa verbindet er sich mit Sauerstoff und liefert neben elektrischem Strom nur reines Wasser als Abfallprodukt. Und in der Chemie ist er Grundbaustein f\u00fcr verschiedene Synthesen. Mit Kohlendioxid zu Methan umgewandelt, l\u00e4sst er sich im Erdgasnetz speichern; zu synthetischem Benzin verarbeitet, in herk\u00f6mmlichen Verbrennungsmotoren nutzen.<\/p>\n

Gr\u00fcner Wasserstoff aus erneuerbarem Strom<\/h3>\n
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Van de Krol und sein Team wollen zeigen, dass die Produktion von Wasserstoff kosteng\u00fcnstig und nur mit solarer Erergie m\u00f6glich ist. Bild: Andreas Kubatzki\/HZB<\/figcaption><\/figure>\n

Wasserstoff ist das einzige Speichermedium, mit dem sich die Erzeugung von Strom, W\u00e4rme und Kraftstoffen miteinander verbinden l\u00e4sst. Diese Eigenschaften machen ihn zu einem idealen Zwischenspeicher von Energie in einem modernen, auf Erneuerbaren basierenden Energiesystem. Wenn Sonne oder Wind in Spitzenzeiten mehr elektrischen Strom liefern als ben\u00f6tigt, k\u00f6nnte mit dem \u00dcberschuss Wasserstoff produziert werden. Er ist gasf\u00f6rmig und kann unter hohem Druck und bei tiefen Temperaturen gut gelagert werden. In gro\u00dfem Stil umgesetzt wird es bislang allerdings nicht. Hier gibt es noch viele technische H\u00fcrden. Die weltweite Wasserstoffproduktion liegt bei etwa 30 Millionen Tonnen pro Jahr. “Heutzutage werden mehr als 96 Prozent des Wasserstoffs aus fossilen Energietr\u00e4gern gewonnen”, erz\u00e4hlt Roel van de Krol, Professor f\u00fcr Chemie und Leiter des Instituts f\u00fcr Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). “Es ist wichtig, dass sich das \u00e4ndert, dass Wasserstoff in Zukunft auf nachhaltige Weise hergestellt wird.”<\/p>\n

Das Prinzip der Wasserelektrolyse, von der van de Krol spricht, ist schon lange bekannt. Bereits 1866 beschrieb der deutsche Chemiker August Wilhelm von Hofmann einen Wasserzersetzungsapparat. Flie\u00dft durch eine w\u00e4ssrige L\u00f6sung Gleichstrom, steigt an einer der beiden Elektroden Sauerstoff auf und an der anderen Wasserstoff. Grundvoraussetzung ist ein Elektrolyt, also ein Stoff mit frei beweglichen Ionen, der den Strom gut leitet. Der Hofmannsche Wasserzersetzungsapparat funktioniert beispielsweise mit verd\u00fcnnter Schwefels\u00e4ure; moderne alkalische Elektrolyseure hingegen mit Kalilauge.<\/p>\n

Fest in ein Polymer eingebunden ist das Elektrolyt hingegen bei den PEM-Elektrolyseuren. Diese nutzen eine sogenannte Protonen-Austausch-Membran auf Basis edelmetallbeschichteter Elektroden, arbeiten bei Temperaturen unter 100 Grad Celsius und funktionieren auch mit destilliertem Wasser. Bis zu 80 Prozent der zugef\u00fchrten elektrischen Energie l\u00e4sst sich damit in Wasserstoff \u00fcberf\u00fchren. Andere Technologien setzen auf keramische Werkstoffe anstelle von Edelmetallen und Temperaturen um die 900 Grad Celsius, wie sie beispielsweise bei Industrieprozessen anfallen. Das spart Strom und hebt den energetischen Wirkungsgrad auf 90 Prozent an. Beide Ans\u00e4tze haben aber eines gemein: Um “gr\u00fcnen” Wasserstoff zu erzeugen, m\u00fcssen vorher Solarzellen oder Windr\u00e4der den n\u00f6tigen Strom bereitstellen.<\/p>\n

Wasser spalten mit Sonnenlicht<\/h3>\n

Diesen Schritt will van de Krol \u00fcberfl\u00fcssig machen. Denn am HZB-Institut f\u00fcr Solare Brennstoffe arbeiten die Wissenschaftler daran, Solarzelle und Elektrolyseur zu verschmelzen. “Wir suchen nach Halbleitermaterialien, die gleichzeitig Licht absorbieren und Wasser spalten k\u00f6nnen.” Was sich einfach anh\u00f6rt, entpuppt sich in Wirklichkeit als Mammutaufgabe. “Wir haben drei Eckpunkte, an denen wir die Materialien messen: Wirkungsgrad, chemische Stabilit\u00e4t und Skalierbarkeit”, erkl\u00e4rt van de Krol die Herausforderung. “Zwei gleichzeitig zu optimieren, ist machbar; alle drei hingegen, das ist schwer. So gibt es beispielsweise Materialien, die einen recht hohen Wirkungsgrad erm\u00f6glichen und auch zu akzeptablen Kosten in gr\u00f6\u00dferen Anlagen eingesetzt werden k\u00f6nnten. Leider zerfallen diese schon nach wenigen Stunden. Andere sind wiederum preiswert und \u00fcber lange Zeit stabil, lassen aber beim Wirkungsgrad zu w\u00fcnschen \u00fcbrig.”<\/p>\n

Van de Krol und sein Team haben sich bei ihrer Suche nach der Nadel im Heuhaufen auf die Stoffgruppe der Metalloxide spezialisiert. Als er im Jahr 2006 damit begann, erreichte seine Versuchsanlage einen Wirkungsgrad von gerade einmal 0,0017 Prozent. “Das hat nat\u00fcrlich jeden potenziellen Industriepartner verschreckt.” Seither haben er und sein Team es geschafft, die Effizienz um den Faktor 3.000 zu steigern. “Heute liegen wir bei f\u00fcnf Prozent und mittlerweile wird uns auch schon erstes Interesse aus der Wirtschaft signalisiert. Um wirklich effizient zu sein, m\u00fcssen wir aber nochmal eine Steigerung um den Faktor zwei bis drei erreichen und das kann durchaus noch einige Jahre dauern.”<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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