Robert Klatt
Ein neues System auf Basis eines Parabolspiegels kann mit künstlicher Photosynthese Wasserstoff per Sonnenkraft produzieren.
Lausanne (Schweiz). Wasserstoff wird bei den erneuerbaren Energien (EE) eine Schlüsselposition einnehmen. Eine effektive Methode zur Produktion von Wasserstoff ist die Aufspaltung von Wasser in einzelne Moleküle. Wenn dies mithilfe von Sonnenenergie erfolgt, spricht man in der Wissenschaft von künstlicher Photosynthese.
Forscher der Eidgenössischen Technische Hochschule Lausanne (ETHL) haben nun erstmals eine System präsentiert, das mit der künstlichen Photosynthese in einem größeren Maßstab Wasserstoff produziert. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature Energy basiert der EPFL-Reaktor auf einem Parabolspiegel, dessen gewölbte Fläche die maximale Lichtmenge einfängt und auf ein zentral positioniertes Modul fokussiert.
Die parabolische Struktur konzentriert die Sonnenstrahlen auf einen fotoelektrochemischen Reaktor mit der 1000-fachen Konzentration. Wasser wird in den besagten Reaktor gepumpt, wobei die Sonnenkraft genutzt wird, um die Moleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Während dieses Prozesses entsteht Wärme, die allerdings nicht als Verlust im System freigesetzt wird. Stattdessen kann sie über einen Wärmetauscher umgeleitet werden, um etwa Innenräume zu beheizen.
„Mit einer Ausgangsleistung von über 2 Kilowatt haben wir die 1-Kilowatt-Grenze für unseren Pilotreaktor geknackt und gleichzeitig einen rekordverdächtig hohen Wirkungsgrad für diesen großen Maßstab erreicht.“
Im Verlauf einer 13-tägigen Testphase, die zwischen August 2020 und Februar/März 2021 stattfand, erreichte der Reaktor einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von über 20 Prozent bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff und produzierte etwa 500 Gramm Wasserstoff täglich. Laut der vom Forschungsteam veröffentlichten Studie ergibt sich daraus eine Gesamtproduktion von mehr als 3,2 kg Wasserstoff und 679 kWh thermischer Leistung. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Reaktor in der Lage wäre, über die Hälfte des jährlichen Wärmebedarfs eines typischen Vier-Personen-Haushalts in der Schweiz zu decken.
In einem nächsten Schritt ist die Errichtung einer Demonstrationsanlage mit einer Leistung von mehreren hundert Kilowatt in einer Metallverarbeitungsfabrik geplant. SoHHytec SA, ein Spin-off der EPFL, kooperiert mit Industriepartnern, um eine großangelegte Anlage zu entwickeln, die Wasserstoff für industrielle Anwendungen, Sauerstoff für nahegelegene Krankenhäuser und Wärme für die Fabrik selbst bereitstellt. Der Zeitpunkt für die Fertigstellung dieser Anlage bleibt jedoch ungewiss. Parallel dazu arbeitet das Team von Sophia Haussener, Leiterin des Labors für erneuerbare Energien (LRESE) an der EPFL, an der Elektrolyse von CO₂ statt Wasser, um beispielsweise E-Fuels zu produzieren.
Nature Energy, doi: 10.1038/s41560-023-01247-2