Wasserstofftechnologien Solarreaktor erzeugt Wasserstoff, Sauerstoff und Wärme

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Eine Parabolantenne auf dem Campus der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) ist leicht zu übersehen, da sie an eine Satellitenschüssel erinnert. Doch diese Schüssel ist etwas Besonderes, denn sie funktioniert wie ein künstlicher Baum.

Ein Reaktor über der Parabolschüssel bündelt das Sonnenlicht fast 1.000-fach und nutzt sie, um Wasser in grünen Wasserstoff, Sauerstoff und Wärme umzuwandeln.

„Dies ist die erste Demonstration der solaren Wasserstofferzeugung auf Systemebene“, berichtet Sophia Haussener, Leiterin des Laboratory of Renewable Energy Science and Engineering (LRESE) in der School of Engineering. „Im Gegensatz zu typischen Demonstrationen im Labormaßstab umfasst sie alle Zusatzgeräte und Komponenten, so dass wir eine bessere Vorstellung von der zu erwartenden Energieeffizienz erhalten, wenn man das gesamte System und nicht nur das Gerät selbst betrachtet. Mit einer Ausgangsleistung von über zwei Kilowatt haben wir die Ein-Kilowatt-Grenze für unseren Pilotreaktor geknackt und gleichzeitig einen rekordverdächtigen Wirkungsgrad für diesen großen Maßstab erreicht. Die in dieser Arbeit erreichte Wasserstoffproduktionsrate ist ein wirklich ermutigender Schritt in Richtung einer kommerziellen Umsetzung dieser Technologie.“

Die Arbeit baut auf vorläufigen Forschungsergebnissen auf, die das Konzept im Labormaßstab unter Verwendung des High-Flux-Solarsimulators von LRESE demonstrierten. Jetzt hat das Team die Ergebnisse ihres hochskalierten, effizienten und produktübergreifenden Prozesses unter realen Bedingungen veröffentlicht.

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Die Wasserstoffproduktion aus Wasser mit Hilfe von Sonnenenergie wird als künstliche Photosynthese bezeichnet, aber das LRESE-System ist einzigartig, weil es auch Wärme und Sauerstoff in großem Maßstab produzieren kann.

Nachdem die Schüssel die Sonnenstrahlen konzentriert hat, wird Wasser in den Brennpunkt gepumpt, wo sich ein integrierter photoelektrochemischer Reaktor befindet. In diesem Reaktor nutzen Solarzellen die Sonnenenergie, um Wassermoleküle zu elektrolysieren, also in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Dabei wird auch Wärme frei, die jedoch nicht als Systemverlust freigesetzt wird, sondern durch einen Wärmetauscher geleitet wird, sodass sie z. B. für die Raumheizung genutzt werden kann.

Neben den primären Outputs des Systems – Wasserstoff und Wärme – werden auch die bei der Photoelektrolyse-Reaktion freigesetzten Sauerstoffmoleküle zurückgewonnen und genutzt.

„Sauerstoff wird oft als Abfallprodukt angesehen, aber in diesem Fall kann er auch genutzt werden, zum Beispiel für medizinische Anwendungen“, sagt Haussener.

Energie für Industrie und Haushalte

Das System eignet sich für industrielle, gewerbliche und private Anwendungen. Das LRESE-Tochterunternehmen SoHHytec SA setzt es bereits ein und vermarktet es. Das EPFL-Start-up arbeitet mit einer Schweizer Metallproduktionsstätte zusammen, um eine Demonstrationsanlage im Multi-100-Kilowatt-Maßstab zu bauen, die Wasserstoff für Metallglühprozesse, Sauerstoff für nahe gelegene Krankenhäuser und Wärme für den Warmwasserbedarf der Fabrik produzieren wird.

„Mit der Pilotdemonstration an der EPFL haben wir einen wichtigen Meilenstein erreicht, indem wir eine noch nie dagewesene Effizienz bei hohen Leistungsdichten demonstriert haben“, erläutert Saurabh Tembhurne, Mitbegründer und CEO von SoHHytec. „Wir sind nun dabei, das System in einem künstlichen Garten zu skalieren, in dem jeder dieser ‚künstlichen Bäume‘ auf modulare Weise eingesetzt wird.“

Das System könnte für die Zentralheizung und Warmwasserbereitung in Privathaushalten und Unternehmen sowie für den Betrieb von Wasserstoff-Brennstoffzellen eingesetzt werden. Mit der Produktion von etwa einem halben Kilogramm Wasserstoff pro Tag könnte das System auf dem EPFL-Campus rund 1,5 Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge antreiben, die eine durchschnittliche Jahresstrecke zurücklegen, oder bis zur Hälfte des Strombedarfs und mehr als die Hälfte des jährlichen Wärmebedarfs eines typischen Schweizer Vier-Personen-Haushalts decken.

Während das System der künstlichen Photosynthese auf dem besten Weg zum Scale-up ist, erforscht Haussener bereits neue technologische Wege. Insbesondere arbeitet das Labor an einem groß angelegten, solarbetriebenen System, das Kohlendioxid statt Wasser spaltet und so nützliche Materialien wie Synthesegas für Flüssigtreibstoff oder den grünen Kunststoffvorläufer Ethylen liefert.

Mehr über den Solarreaktor erfahren Sie in folgendem Video:

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