Wasserstoff vom Dach: KIT-Forschende entwickeln Fotoreaktorpaneele
Die Forschende am KIT haben bedeutende Fortschritte in der Optimierung der künstlichen Fotosynthese für die Massenanwendung erzielt. Ihr innovativer Ansatz ermöglicht die effiziente Wasserstoffgewinnung direkt von Dachflächen.
Nachahmung der Natur: Fortschritte bei der künstlichen Fotosynthese für nachhaltige Energiegewinnung.
Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT
In der Fachzeitschrift Joule haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und ihre kanadischen Partner über wichtige Fortschritte bei der Entwicklung kostengünstiger Fotoreaktormodule berichtet. Damit könnte man Wasserstoff, Kraftstoffe und sogar Trinkwasser effizient auf Dachflächen oder in Solarparks mithilfe kostengünstiger Fotoreaktormodule erzeugen. Aufgrund eines optimierten Designs soll das entwickelte modulare System ideal für kostengünstige Massenproduktion geeignet sein.
In der künstlichen Fotosynthese werden chemische Reaktionen durch Sonnenlicht angestoßen. In ähnlicher Weise wie Pflanzen durch Photosynthese aus Licht, Wasser und CO₂ neue Verbindungen herstellen können, hat die Wissenschaft Prozesse entwickelt, bei denen ein fotokatalytisch aktives Material in einer künstlichen Photosynthese Photonen absorbiert und ihre Energie für chemische Reaktionen verwendet. „Inzwischen sind unterschiedliche Fotokatalysatoren bekannt. Mit ihnen lässt sich zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, es lassen sich aber auch klimaneutrale Kraftstoffe aus Wasser und Kohlendioxid herstellen“, erklärt Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT.
Hocheffiziente Fotoreaktorpaneele entwickelt
Bislang war die Technologie zur Produktion von solarem Wasserstoff hauptsächlich im Labor zu finden, da die Kosten dafür einfach zu hoch waren. Die Forschenden haben aber jetzt ein Konzept für hocheffiziente Fotoreaktorpaneele entwickelt, die in kostengünstigen Modulen integriert werden können. Solche Fotoreaktormodule auf Hausdächern oder in Solarfarmen zur Herstellung von Wasserstoff oder Kraftstoffen könnten daher eine der großen technologischen Chancen im Kampf gegen die Klimakrise darstellen. „Das könnte den Einsatz fossiler Energieträger schlichtweg überflüssig machen“, resümierte Kant, der die Forschungsarbeiten während seiner Promotion bei Professor Roland Dittmeyer am IMVT leitete.
Wie funktioniert das?
Um ein Fotoreaktormodul effizient für praktische Anwendungen einzusetzen, sind zwei Hauptkomponenten erforderlich. Zum einen wird ein geeigneter Fotokatalysator benötigt, der die eigentliche chemische Reaktion antreibt. Zum anderen muss ein Fotoreaktor vorhanden sein, der als „Behältnis“ für den Fotokatalysator und die Ausgangsstoffe der chemischen Reaktion dient. „Der Fotoreaktor sollte einfallendes Sonnenlicht idealerweise verlustarm zum Fotokatalysator leiten, egal aus welcher Richtung es einfällt, beziehungsweise egal wo am Himmel die Sonne steht“, erklärte der Forscher in einer KIT-Pressemitteilung. Dabei wies er darauf hin„ 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 besteht aus mikrostrukturierten Polymerpaneelen, die mit einer Aluminiumbeschichtung versehen sind, um eine hohe Reflektivität zu gewährleisten. Dadurch werden optimale Betriebsbedingungen geschaffen und ein effizienter Transport von Licht zum Fotokatalysator über den gesamten Tagesverlauf ermöglicht. Das System wurde mithilfe von computergestützter Geometrieoptimierung und einem fotokatalytischen Modellsystem entwickelt und konnte bereits erfolgreich im Labormaßstab demonstriert werden.
Fotoreaktorpaneele für Massenproduktion
Zukünftige Fotoreaktormodule können nun relativ einfach für verschiedene Anwendungsbereiche auf maximale Effizienz ausgelegt werden. Allerdings ist eine hohe Effizienz bei der chemischen Reaktion nur ein Teil der Herausforderung, um die künstliche Fotosynthese als wirtschaftliche Technologie zu etablieren. Um bedeutende Mengen an Produkten herzustellen, müssen sehr große Flächen mit Fotoreaktorpaneelen bedeckt werden. Deshalb ist in dieser Hinsicht der Preis enorm wichtig. Laut Kant werden kostengünstige Materialien und Geometrien verwendet, die in etablierten Massenfertigungsverfahren hergestellt werden können, um die Kosten zu senken. Nach ersten Berechnungen schätzt das Forschungsteam den Preis eines Fotoreaktormoduls auf ungefähr 22 US-Dollar pro Quadratmeter.
Nun planen, die Forschenden, einen geeigneten Fotokatalysator zu entwickeln, der effizient Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Anschließend wird der Fotokatalysator in die vorgestellten Fotoreaktoren integriert. Zusätzlich werden derzeit Untersuchungen zur Massenproduktion der erwähnten Paneele durchgeführt.
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