Robert Klatt
Hocheffiziente Fotoreaktorpaneele können bald Wasserstoff, Synthesegas oder synthetische Kraftstoffe auf dem eigenen Dach produzieren. Dank der optimierten Bauweise eignet sich das modulare System für eine günstige Massenfertigung.
Karlsruhe (Deutschland). Pflanzen können per Photosynthese aus Licht, Wasser und CO₂ neue Verbindungen produzieren. Wie Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erklärt, hat die Wissenschaft ähnliche Prozesse entwickelt, bei denen eine künstliche Photosynthese mit einem fotokatalytisch aktiven Material Photonen absorbiert und diese anschließend mit Energie für eine chemische Reaktion 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.“
Die Technologien für die Produktion von grünem Wasserstoff konnten bisher aber nur im Labormaßstab verwendet werden, weil ihre Kosten für den industriellen Einsatz deutlich zu hoch waren.
Nun haben Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hocheffiziente Fotoreaktorpaneele entwickelt, die in preiswerte Modulen verbaut werden können. Laut Kant können diese Module großflächig verbaut werden, etwa auf Hausdächern und in Solarparks. Die industrielle Produktion von Wasserstoffen oder E-Fuels rückt damit in praxisnahe und könnte dabei helfen, den Klimawandel zu bekämpfen.
„Das könnte den Einsatz fossiler Energieträger schlichtweg überflüssig machen.“
Laut der Publikation im Fachmagazin Joule basieren die Module auf einem hocheffizienten Reaktorkonzept, das sich für den Massenmarkt eignet. Dieses enthält einen optimieren Fotokatalysator, der die chemische Reaktion antreibt, sowie einen Fotoreaktor, also ein Behältnis für den Fotokatalysator und die Ausgangsstoffe der 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. 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.“
Der Fotoreaktors besteht aus speziell mikrostrukturierten Polymerplatten, welche mit Aluminium zur Verbesserung der Reflektivität überzogen sind. Dieses Konzept ermöglicht sowohl optimale Betriebsbedingungen als auch einen effektiven Lichttransfer zum Fotokatalysator während des gesamten Tages. Durch den Einsatz von computergestützter Geometrieoptimierung und einem fotokatalytischen Modellsystem ist es den Forschern gelungen, dieses System zu entwickeln und es erfolgreich in Laborgröße vorzuführen.
Eine allgemeine Leitlinie der Entwickler auf Basis der Analyse des Reaktorprinzips ermöglicht es, Fotoreaktormodule für diverse Anwendungen relativ einfach auf höchste Effizienz abzustimmen. Doch eine hohe Effizienz der chemischen Reaktion allein ist nicht ausreichend, um die künstliche Photosynthese als ökonomische Technologie zu verankern. Um bedeutende Produktmengen zu generieren, sind äußerst umfangreiche Flächen, die mit Fotoreaktorpaneelen ausgestattet sind, notwendig.
„Um die Kosten zu senken, verwenden wir kostengünstige Materialien sowie Geometrien, die in etablierten Massenfertigungsverfahren hergestellt werden können.“
Die Forscher schätzen, basierend auf ersten Kalkulationen, die Kosten auf etwa 22 Euro pro Quadratmeter Fotoreaktormodul.
Joule, doi: 10.1016/j.joule.2023.05.006
