Wasserstoff aus Sonnenlicht

HYDROSOL_Plant Neuer verbesserter Reaktor

Wasserstoff ist ein Energieträger mit viel Potenzial, bspw. um Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb zu betanken. Darüber hinaus wird er bei der Herstellung von synthetischen Treibstoffen wie Methan, Methanol, Benzin oder Kerosin verwendet. Wissenschaftler haben jetzt ein Verfahren entwickelt, Wasserstoff durch Sonnenstrahlung herzustellen. Der Kohlendioxid-Ausstoß im Verkehrs- und Wärmesektor könnte damit erheblich gesenkt werden.

Wasserstoff ist eine der wichtigsten Grundchemikalien. Heute wird er hauptsächlich für die Produktion von Dünger und zur Entschwefelung von Rohöl eingesetzt. In Japan sind bereits über 200.000 Brennstoffzellen-Systeme in Gebäuden im Einsatz. Wasserstoff soll dort auch in großen Gaskraftwerken eingesetzt werden, um Strom zu produzieren und so fossile und nukleare Kraftwerke ersetzen. Zudem kann der Einsatz von Wasserstoff bei industriellen Verfahren, wie etwa der Stahlproduktion, zu erheblichen Kohlendioxid-Einsparungen beitragen.

Wird Wasserstoff mit erneuerbaren Energien gewonnen, kann der Kohlendioxid-Ausstoß im Verkehrs- und Wärmesektor erheblich gesenkt werden. Im Forschungsprojekt Hydrosol_Plant arbeiten Wissenschaftler u. a. des Deutsche Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) daher an der effizienten Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe von Sonnenenergie.

Sonne erhitzt Materialien auf 1.400 Grad Celsius

Die Forscher produzieren den Wasserstoff direkt mit der Wärmeenergie der Sonne mittels einer thermochemischen Redox-Reaktion: Das Sonnenlicht wird durch eine Vielzahl von Spiegeln auf einen Brennpunkt konzentriert in dem sehr hohe Temperaturen entstehen. Mit der erzeugten Wärme kann Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten werden.

Im ersten Teil des Verfahrens heizt die Sonne Redox-Materialien wie bspw. Nickel-Ferrit oder Ceroxid im Innern eines Reaktors auf 1.400 Grad Celsius. Bei diesen Temperaturen wird das Material chemisch reduziert – Sauerstoffmoleküle werden freigesetzt und aus dem Reaktor hinaus transportiert.

Der zweite Schritt läuft bei 800 bis 1000 Grad Celsius ab. Hier erfolgt die eigentliche Wasserspaltung. Dabei lassen die Forscher Wasserdampf durch den Reaktor strömen, das reduzierte Material nimmt den Sauerstoff des Wassers auf – es wird chemisch oxidiert. Der Sauerstoff verbleibt im Reaktor, während der Energieträger Wasserstoff herausströmt. Ist das Material komplett oxidiert, wird es durch den ersten Prozessschritt wieder regeneriert und der Zyklus beginnt von neuem.

Industrielle Anwendung in zehn Jahren möglich

Nach der Erfahrung früherer Forschungsprojekte haben die Forscher sowohl den Aufbau des Reaktionsreaktors als auch die Materialien entscheidend weiterentwickelt. Durch eine zweite Bündelung der Solarstrahlung mit einem innenverspiegelten Trichter wird nun weniger Wärme abgestrahlt – der Wirkungsgrad des Prozesses erhöht sich. Neu entwickelte Keramikschäume versprechen eine höhere Wasserstoffausbeute sowie eine längere Haltbarkeit. Die Wissenschaftler erwarten, dass sie im Testbetrieb pro Woche zirka drei Kilogramm Wasserstoff herstellen können.

Dr. Martin Roeb, Projektleiter beim DLR-Institut für Solarforschung: „Mit HYDROSOL_Plant haben wir erstmalig eine Anlage entworfen, die den vollständigen Prozess, von der Erzeugung über die Abtrennung von hochreinem Wasserstoff bis hin zur Speicherung, umfasst. Obwohl sich unsere Arbeiten noch im Bereich der Forschung befinden, können wir bereits die signifikante Menge von einem Kilogramm Wasserstoff pro Woche erzeugen. Damit kann zum Beispiel ein effizientes Brennstoffzellenfahrzeug über 100 Kilometer weit fahren.“

Mit der Marktreife und der kommerziellen Anwendung des Verfahrens rechnen die Forscher jedoch erst in einigen Jahren. Vorher könnte das Verfahren für Insellösungen angewandt werden, wenn bspw. kein Anschluss an das Elektrizitätsnetz besteht. Je nach Geschwindigkeit der Entwicklung könnte das Verfahren laut der Wissenschaftler aber in zehn Jahren bereits zur industriellen Erzeugung von Wasserstoff dienen.