Mit einem Hochtemperatur-Elektrolyse-Reaktor produzieren Forscher der EPFL aus konzentriertem Solarlicht Wasserstoff. Dies hat sogar für industrielle Anwendungen Zukunft.
Wasserstoff ist ein vielversprechender Brennstoff und Ausgangsstoff für eine erneuerbare Energiewirtschaft und die chemische Prozessindustrie. Er wird in der Regel durch Dampfreformierung fossiler Brennstoffe hergestellt, ein nicht nachhaltiger Ansatz. Als kohlenstofffreier Brennstoff und Ausgangsstoff kann Wasserstoff gelagert und transportiert und direkt in Brennstoffzellen für Mobilitätsanwendungen oder zur Stromerzeugung verwendet werden, oder er kann zu synthetischem Methan für die langfristige Lagerung oder zu flüssigen Kraftstoffen (z. B. Methanol oder Benzin) für den Einsatz in herkömmlichen Motoren weiterverarbeitet werden. Die moderne Erzeugung von Wasserstoff durch Sonnenlicht mittels photovoltaisch betriebener Niedertemperatur-Elektrolyse erfordert seltene und teure Materialien (z. B. Katalysatoren der Platingruppe für Elektrolyseure). Daher ist es eine Herausforderung, den Markt mit grünem Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Preisen und in grossem Maßstab zu versorgen.
Forscher des Laboratory of Renewable Energy Science and Engineering (LRESE) der EPFL und der Group of Energy Materials (GEM) haben eine innovative Methode zur Überwindung der schwierigen wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit vorgestellt. Die Idee ist, konzentrierte Sonnenstrahlung für den Antrieb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs zu nutzen. Daraus ergeben sich zwei Vorteile: 1. die Hochtemperatur-Elektrolyse ermöglicht die Verwendung von Materialien, die in der Erde reichlich vorhanden sind (z. B. Katalysatoren für Elektrolyseure), und 2. der Wirkungsgrad von Solar-to-Fuel wird erheblich gesteigert, da der Strombedarf für die Elektrolyseure im Vergleich zur Niedertemperatur-Elektrolyse reduziert wird. Ein Demonstrationsreaktor wurde entworfen, hergestellt und erfolgreich in LRESEs einzigartigem High-Flux-Solarsimulator getestet. Das innovative Design folgte einem integrierten Ansatz, d.h. Elektrolyseur-Stapel und Solarabsorber befanden sich in räumlicher Nähe, was die Wärmeverluste im Reaktor erheblich reduziert. Der neuartige Konstruktionsansatz zeigte ein Potenzial von 20 % Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff.
Upscaling-Strategien:
Die Forscher gehen davon aus, dass das System auf industriellem Niveau skaliert werden kann. Sophia Haussener, Leiterin des LRESE und Leiterin des Projekts, erklärt: „Der 7-Meter-Parabolspiegel (Solar Dish) auf dem Campus der EPFL in Lausanne ist geeignet, um einen solchen Reaktor unter realen Sonnenbedingungen zu testen. Es werden Solarkonzentrationen von etwa 1’000 erzeugt, die perfekt zu der für dieses Reaktordesign erforderlichen konzentrierten Sonneneinstrahlung passen. Ein Array solcher Solarkonzentratoren könnte für die Vergrösserung des Ansatzes verwendet werden: „Eine Vergrösserung ermöglicht auch höhere thermische Wirkungsgrade und damit eine weitere Verbesserung der Gesamtleistung. Es ist geplant, diese Technologie auf die Co-Elektrolyse zur gleichzeitigen Erzeugung von Wasserstoff und CO, dem so genannten Synthesegas, auszuweiten, das sich hervorragend als Ausgangsmaterial für die Fischer-Tropsch- oder Methanolsynthese zur direkten Herstellung flüssiger Solartreibstoffe eignet.
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