Technion-Forscher haben das weltweit erste System entwickelt, das mit Hilfe von Sonnenenergie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet.

Forscher des Technion – Israel Institute of Technology haben eine Prototypanlage für die effiziente und sichere Produktion von Wasserstoff ausschließlich mit Sonnenenergie entwickelt.

Die in der Zeitschrift Joule von der Cell-Gruppe veröffentlichte Studie wurde von der Doktorandin Avigail Landman vom Grand Technion Energy Program zusammen mit dem Master-Studenten Rawan Halabi von der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen geleitet.

Die Studie wurde unter der gemeinsamen Leitung von Professor Gideon Grader von der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Professor Avner Rothschild von der Fakultät für Materialwissenschaften und -technik in Zusammenarbeit mit Professor Adélio Mendes und Dr. Paula Dias von der Universität Porto in Portugal durchgeführt.

Das innovative System enthält eine Tandemzellen-Solaranlage, die eine effizientere Nutzung des Lichtspektrums ermöglicht. Ein Teil der Sonnenstrahlung wird in der oberen Schicht, die aus halbtransparentem Eisenoxid besteht, absorbiert.

Die Strahlung, die in dieser Schicht nicht absorbiert wird, durchdringt diese und wird anschließend von einer Photovoltaikzelle absorbiert. Zusammen liefern die beiden Schichten des Systems die Energie, die zur Zersetzung des Wassers benötigt wird.

Von der Theorie zur Anwendung

Das innovative System ist eine Fortsetzung des theoretischen Durchbruchs des Technion-Forschungsteams, der im März 2017 in einem Artikel in Nature Materials vorgestellt wurde.

In diesem Artikel stellten die Forscher einen Paradigmenwechsel in der Wasserstoffproduktion vor: Statt einer Produktionszelle, in der das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, entwickelten die Forscher ein System, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff in zwei völlig unterschiedlichen Zellen gebildet werden.

Diese Entwicklung ist unter anderem deshalb wichtig, weil die Mischung von Sauerstoff und Wasserstoff eine explosive und gefährliche Wechselwirkung erzeugt. Den Machbarkeitsnachweis legten die Forscher in einer Laboranlage vor, die mit einer konventionellen Stromquelle betrieben wird.

Jetzt präsentieren die Forscher in der aktuellen Studie in Joule die Umsetzung der Theorie in der angewandten Entwicklung – ein photoelektrochemisches Prototypsystem, das Wasserstoff und Sauerstoff in zwei getrennten Zellen nur mit Hilfe von Sonnenlicht produziert. Im Rahmen des Experiments wurden ca. 80 Arbeitsstunden (10 Tage à ca. 8 Stunden) durchgeführt, um die Effizienz des Systems im natürlichen Sonnenlicht zu demonstrieren. Das Experiment wurde in der Fakultät für Chemieingenieurwesen am Technion durchgeführt.

Hintergrund

Wasserstoff ist ein begehrter Werkstoff in vielen Bereichen unseres Lebens. Der größte Teil des heute erzeugten Wasserstoffs wird zur Herstellung von Ammoniak für die Produktion von Düngemitteln verwendet, die für die moderne Landwirtschaft unverzichtbar sind.

Darüber hinaus ist Wasserstoff eine der führenden alternativen Kraftstoffquellen, insbesondere im Zusammenhang mit dem Mobilität. Im Zusammenhang mit dem Transport hat Wasserstoff mehrere Vorteile gegenüber mineralischen Kraftstoffen:

Erstens, er kann aus Wasser mit Hilfe von grüner Energie wie Solarenergie erzeugt werden, wodurch die Abhängigkeit von mineralischen Brennstoffen und die Abhängigkeit von Ländern mit reichen Ölreserven verringert wird.

Zweitens, die Wasserstoffproduktion aus Wasser ermöglicht die Speicherung von erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind, die nicht zu jeder Tageszeit verfügbar sind.

Und drittens, im Gegensatz zu Diesel- und Benzinmotoren, die große Mengen an NOX ausstoßen, ist das einzige Nebenprodukt von Wasserstoffmotoren eben Wasser.

Heute wird weltweit der größte Teil des Wasserstoffs aus Erdgas hergestellt. Doch mit diesem Prozess geht der Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) einher, dessen Umweltschäden bekannt sind.

Eine alternative Produktionsmethode ist die Elektrolyse – Zersetzung von Wasser (H2O) zu Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Obwohl der Elektrolyseprozess bereits vor mehr als zweihundert Jahren entdeckt wurde, sind nicht viele Elektrolysetechniken entwickelt worden.

In den letzten Jahren, mit dem lebenswichtigen Übergang zu alternativen Energien, wurde klar, dass der Elektrolyseprozess verfeinert werden muss, um diese Energiequellen zu nutzen.

Vor diesem Hintergrund hat sich der photoelektrochemische Prozess entwickelt, der das Wasser mit Hilfe der Sonnenstrahlung direkt abbaut. Allerdings gibt es auch hier verschiedene technologische Herausforderungen.

So ist beispielsweise die Herstellung von Wasserstoff mit der herkömmlichen Methode der Elektrolyse – der Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff in derselben Produktionszelle – mit Risiken verbunden, da das Zusammentreffen von Wasserstoff und Sauerstoff zu einer Explosion führt.

Außerdem ist es in großen Solarfeldern sehr schwierig, Wasserstoff in dieser Konfiguration zu produzieren. Daher ist der in Joule vorgestellte aktuelle Durchbruch von großer Bedeutung.

Quelle/Sender: Technion