Klimaneutrale Kraftstoffe Neuartiger Fotoreaktor: Hausdächer als solare Wasserstofffabriken

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Ein effizienter, modularer und noch dazu günstiger Fotoreaktor soll, großflächig ausgerollt, die klimaneutrale Produktion von Wasserstoff, E-Fuels und sogar Trinkwasser ermöglichen. Dazu konzentriert der Fotoreaktor Sonnenlicht und leitet es in röhrenförmige Reaktionskammern. Forschern am KIT sind nun wichtige Fortschritte gelungen.

Wasserstoff ist einer der Hoffnungsträger für eine klimaneutrale Energienutzung. Doch bislang ist die kohlendioxidfreie Erzeugung von H2 noch teuer und noch nicht in erforderlich großem Maßstab verfügbar. Das soll sich nach dem Willen einer Forschungsgruppe um den Doktoranden Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT möglichst rasch ändern. Kant leitet die Forschungsarbeiten federführend während seiner Promotion bei Professor Roland Dittmeyer am IMVT. Sie sind Teil des Helmholtz-Programms „Materials and Technologies for the Energy Transition“.

Bei ihren Arbeiten dient den Forschenden die Natur als Vorbild: Bei der Photosynthese wandeln Pflanzen mithilfe von Sonnenstrahlen Kohlendioxid und Wasser (CO₂ und H₂O) in energiereiche Verbindungen, konkret Sauerstoff (O₂) und Glucose (C₆H₁₂O₆). Spezielle Enzyme stoßen dabei als Fotokatalysatoren die erforderlichen Reaktionen an. Dieses Prinzip ahmen die sogenannten Solar-to-X-Verfahren nach: Sie erzeugen aus Kohlendioxid und Wasser fotokatalytisch Wasserstoff, Synthesegas oder auch E-Fuels. Das Spektrum bisheriger Ansätze reicht von schwimmenden Blättern über die solare Wasserspaltung durch Tandemsolarzellen bis zu solaren Synthesegas-Nanofabriken.

Mit der Kraft der Sonne: Klimaneutrale Kraftstoffe

Auch bei der künstlichen Fotosynthese ist Sonnenlicht essenziell für den Ablauf der chemischen Prozesse. Konkret treibt die Energie der von einem fotokatalytisch aktiven Material absorbierten Photonen direkt chemische Reaktionen an. Mittlerweile seien unterschiedliche Fotokatalysatoren bekannt, sagt Kant: „Mit ihnen lässt sich zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, es lassen sich aber auch klimaneutrale Kraftstoffe aus Wasser und Kohlendioxid herstellen.“

Das Problem: Die Technologien gibt es zwar, bislang allerdings hauptsächlich in Laboren. Gründe dafür sind die noch unzureichende Effizienz und hohe Kosten für Materialien und Komponenten. Kurzum: Die Produktion von solarem Wasserstoff ist schlicht noch zu teuer. Das will Kant mit seiner Forschungsgruppe ändern: Sie haben ein Konzept für hocheffiziente Fotoreaktorpaneele entwickelt, die sich zu kostengünstigen Modulen zusammenbauen lassen. Nach eigenen Angaben ist dies „ein entscheidender Schritt in Richtung Praxis“.

Optimiertes Reaktorkonzept für den Massenmarkt

Nach Angaben der Forscher muss ein effizientes Fotoreaktormodul für die praktische Anwendung im Wesentlichen zwei Komponenten aufweisen: Zum einen muss ein geeigneter Fotokatalysator zur Verfügung stehen, der die eigentliche chemische Reaktion antreibt. Zum anderen muss 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 demnach 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. Nach eigenen Aussagen hat das Team um Kant das System mithilfe computergestützter Geometrieoptimierung sowie einem fotokatalytischen Modellsystem entwickelt und konnte es bereits im Labormaßstab demonstrieren.

Praktische Umsetzung

Umgesetzt sieht das dann so aus: Der Fotokatalysator besteht vereinfacht ausgedrückt aus einem innen verspiegelten Rohr, das in Längsrichtung aufgeschnitten ist. Auf die Öffnung sind V-förmig beschichtete Bleche entlang des Rohres befestigt. Dieser Konzentrator fängt Sonnenlicht über einen breiten Wellenlängenbereich aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen ein, bündelt es und leitet die Strahlen in das Rohr. Hier, in der Reaktionskammer, spaltet ein Fotokatalysator mithilfe der konzentrierten Energie das durchfließende Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Die Konzentratoren lassen sich parallel eng auf Modulen montieren, so dass die verfügbare Fläche gut ausgenutzt wird.

Diese neuartigen Fotoreaktormodule ließen sich großflächig auf Hausdächern oder in Solarfarmen zum Herstellen von Wasserstoff oder Kraftstoffen einsetzen, was laut Kant „eine der großen technologischen Chancen der Menschheit im Kampf gegen die Klimakrise“ sei: „Das könnte den Einsatz fossiler Energieträger schlichtweg überflüssig machen.“

Demonstrator erreicht hohe Effizienz

Um die Funktion und Praxistauglichkeit zu prüfen, hat das Team um Kant einen Demonstrator auf Basis des etablierten und kommerziell erhältlichen Photokatalysators Kalium-Trioxalatoferrat(III) gebaut. Im Betrieb erreichte die Konstruktion nach Angaben der Forscher einen fotokatalytischen Wirkungsgrad von 5,8 Prozent für die Reduktion von Eisen(III) zu Eisen(II) – das entspreche 62 Prozent des theoretisch erreichbaren Maximalwerts.

Im Vergleich zu einem Fotoreaktor aus Glaskapillaren erreiche das eigene Paneel eine viermal so hohe fotokatalytische Effizienz. Entscheidend dafür sei, dass aufgrund der Bauweise auch Streulicht effizient in die Reaktorkammer geleitet werden und die Reaktionskammer auf ihrer ganzen Länge von Licht durchflutet werde, erklärt Kant.

22 US-Dollar pro Quadratmeter: Preiswerte Module durch bewährte Massenfertigung

Die Forschenden haben auf Basis einer detaillierten Analyse ihres Reaktorkonzepts eine allgemeingültige Richtlinie erarbeitet. Damit sollen sich zukünftige Fotoreaktormodule für unterschiedliche Einsatzzwecke verhältnismäßig einfach auf maximale Effizienz auslegen lassen. Allerdings ist eine möglichst hohe Effizienz nur ein Teil des Problems, das gelöst werden muss, um die künstliche Fotosynthese als eine wirtschaftliche Technologie zu etablieren.

Auf Grundlage einer allgemeingültigen Richtlinie, die von den Forschenden auf Basis einer detaillierten Analyse ihres Reaktorkonzepts erarbeitet wurden, können zukünftige Fotoreaktormodule nun für unterschiedliche Einsatzzwecke verhältnismäßig einfach auf maximale Effizienz ausgelegt werden. Für „relevante Produktmengen“ müssten laut Kant extrem große Flächen mit Fotoreaktorpaneelen bedeckt werden. Dazu muss sich die Technologie günstig skalieren lassen. „Um die Kosten zu senken, verwenden wir kostengünstige Materialien sowie Geometrien, die in etablierten Massenfertigungsverfahren hergestellt werden können“, sagt Kant. Das zahlt sich offenbar aus: Nach ersten Berechnungen schätzen die Forschenden den Preis auf ungefähr 22 US-Dollar pro Quadratmeter Fotoreaktormodul. Die reinen Materialkosten lägen bei unter 10 US-Dollar pro Quadratmeter.

In weiterführenden Arbeiten unter der Federführung von Anselm Dreher wird in den nächsten Schritten nun am IMVT in Karlsruhe und in der Arbeitsgruppe um Professor Geoffrey Ozin in Toronto ein geeigneter Fotokatalysator entwickelt, der effizient Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Der Fotokatalysator soll anschließend in die vorgestellten Fotoreaktoren integriert werden. Darüber hinaus umfassen aktuelle Arbeiten Untersuchungen zur Massenproduktion der vorgestellten Paneele. (me)

Mit Material des Instituts für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT

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