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Energie

Die atmende Solarzelle

<b>Atmende Solarzellen</b> Während des PECDEMO-Projekts soll ein Apparat entstehen, der gleichzeitig Strom erzeugt und Wasser spaltet. Die entstehende Solarzelle nimmt Wasser auf und atmet Wasserstoff und Sauerstoff aus. Bilder: Andreas Kubatzki/HZB

Wasserstoff gilt vielen Wissenschaftlern als Öl der Zukunft. Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin arbeiten zusammen mit internationalen Partnern daran, ihn kostengünstig mit Solarenergie zu gewinnen. Wenn das gelingt, könnte Wasserstoff bald eine Schlüsselrolle in der Energieversorgung spielen.

Als Schüler kommt fast jeder einmal mit dem Gemisch in Kontakt, das prägnant Knallgas genannt wird: Das Wasserstoff-Sauerstoff- Gemisch befindet sich dabei in einem Ballon, den der Lehrer mit einem Streichholz zur lauten Explosion bringt; übrig bleibt eine Wolke aus Wasserdampf. Angesichts dieses eindrucksvollen Effekts vergessen allerdings viele Schüler, dass die Herstellung des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches mit Hilfe elektrischen Stroms, die sogenannte Elektrolyse, eigentlich weitaus wichtiger ist als der Knall. Derzeit arbeiten Wissenschaftler daran, die Elektrolyse zu einer Technologie zu entwickeln, die in ferner Zukunft vielleicht sogar fossile Brennstoffe ersetzen kann.

Schon heute ist Wasserstoff als Zwischenspeicher für Windkraftanlagen oder Photovoltaik-Anlagen im Gespräch: Wenn die erneuerbaren Energiequellen in Spitzenzeiten mehr elektrischen Strom liefern als benötigt, könnte mit dem Überschuss Wasserstoff produziert werden. Dieses Gas kann unter hohem Druck und bei tiefen Temperaturen gut gelagert werden. „Eine saisonale Speicherung von Energie ist nur mit chemischen Energieträgern wie Methan oder Wasserstoff möglich“, sagt Michael Specht vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden- Württemberg (ZSW) – denn diese Zwischenspeicherung funktioniere mit den Gasen viel effizienter als mit Batterien und Akkus.

Voraussetzung für den Einsatz von Wasserstoff als Energieträger ist es, ihn mit regenerativen Energien herzustellen

Das Elektrolyse-Prinzip, das diesen aktuellen Überlegungen zu Grunde liegt, ist seit Jahrhunderten bekannt. In großem Stil umgesetzt wird es bislang allerdings nicht, denn es ist ausgesprochen energieaufwendig. Voraussetzung für den Einsatz von Wasserstoff als Energieträger ist es deshalb, ihn mit regenerativen Energien herzustellen.

Genau da setzen Forscher des Helmholtz- Zentrums Berlin (HZB) an. In einem Projekt, das sie PECDEMO (photoelektrochemischer Demonstrationsaufbau) genannt haben, wollen sie bis Mitte 2017 zeigen, dass die Produktion von Wasserstoff kostengünstig und nur mit solarer Energie möglich ist. „Wir entwickeln eine sieben mal sieben Zentimeter große Zelle, die bei Sonnenstrahlung eingehendes Wasser spaltet und Sauerstoff und Wasserstoff an jeweils einem Ausgang abgibt“, sagt Roel van de Krol, Materialwissenschaftler am Institut für solare Brennstoffe des HZB und Koordinator des Projekts.

Das Neue an der Idee der Wissenschaftler um van de Krol liegt darin, dass sie zwei bisher getrennte Schritte in einer Zelle vereinen wollen

Ziel ist es, einen Prototyp zu entwickeln, der die Grundlage für die künftige industrielle Herstellung von Wasserstoff legt. Mindestens 1000 Stunden lang soll die Zelle dafür stabil Wasserstoff erzeugen. Etwa acht Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie wollen van de Krol und seine Kollegen für die Gewinnung des Wasserstoffs nutzen. Die Ausbeute könnte wesentlich höher sein, wenn die Forscher auf Hightech-Materialien zurückgriffen, aber sie wollen vor allem auf die Kosten-Nutzen-Rechnung achten: „Wir versuchen, drei Punkte gleichzeitig im Blick zu haben: hohe Effizienz, Stabilität und geringe Kosten“, sagt van de Krol. „Mit seltenen oder traditionellen Materialen aus der Photovoltaik ist es zwar einfach, die Effizienz hochzutreiben, aber wir nutzen für PECDEMO nur stabile und häufig vorkommende Metalle.“ Aber auch so sei es eine Herausforderung, ein Kilogramm Wasserstoff für etwa fünf Euro herzustellen – diese Marke gilt als erster Schritt zur wirtschaftlichen Produktion von Wasserstoff.

<b>PECDEMO-Projekt</b> Van de Krol und sein Team wollen bis Mitte 2017 zeigen, dass die Produktion von Wasserstoff kostengünstig und nur mit solarer Erergie möglich ist. Bild: Andreas Kubatzki/HZB

Das Besondere an der Idee der Wissenschaftler um van de Krol ist, dass sie zwei bisher getrennte Schritte in ihrer Zelle vereinen wollen. Statt zunächst Strom zu erzeugen, der anschließend für die Elektrolyse genutzt wird, wollen sie einen Apparat konstruieren, der den nötigen Strom liefert und gleich das Wasser spaltet – eine Art atmender Solarzelle. Sie nimmt Wasser auf und atmet Wasserstoff und Sauerstoff aus. „Wir setzen simple und häufige Metalloxide als Lichtabsorber ein und kombinieren sie mit Silizium auf der Hinterseite“, sagt van de Krol. „So absorbiert die Zelle fast das gesamte Lichtspektrum im sichtbaren Bereich. Die Photonen des Lichts werden optimal ausgenutzt.“ Die Metalloxid-Seite der Zelle hat dabei Kontakt mit einem kleinen Wassertank und spaltet mit Hilfe einer weiteren Elektrode und der gewonnenen Energie die Flüssigkeit in ihre Bestandteile.

Wenn es gelingt, Wasserstoff in industriellem Maßstab herzustellen, könnte das auch ein wichtiger Schritt sein, um die fossilen Brennstoffe zu ersetzen

Van de Krol sieht PECDEMO als gelungenen Auftakt zur weiteren Forschung. „Wir haben erstmals aufklären können, welche effizienzsteigernden Vorgänge bei der Wasserspaltung wirklich an den beschichteten Elektrodengrenzflächen stattfinden“, sagt der Forscher. Daher sei er zuversichtlich für den Bau der nachfolgenden Generationen von Zellen.

Wenn es gelingt, Wasserstoff in industriellem Maßstab herzustellen, könnte das auch ein wichtiger Schritt sein, um die fossilen Brennstoffe zu ersetzen. Tests von Energieversorgern zeigen, dass Wasserstoff ohne negative Auswirkungen im einstelligen Prozentbereich in die deutschen Erdgasnetze eingemischt werden kann. Ein kompletter Ersatz des Erdgases wäre möglich, wenn man Wasserstoff beispielsweise durch die sogenannte Methanisierung mit Hilfe von Kohlendioxid umformte. Auch Diesel- und Benzinprodukte können so erzeugt werden. Der große Vorteil: Die vorhandene Infrastruktur müsste nicht umgebaut werden, sowohl Tankstellen als auch die bisherigen Fahrzeuge könnten weiter genutzt werden. „Es ist allerdings noch zu früh, zu sagen, ob eine Zellentechnologie wie in PECDEMO irgendwann zentralisiert beispielsweise für Tankstellen in Frage kommt oder dezentral die Bewohner eines Hauses versorgt“, sagt van de Krol.

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