Künstliche Photosynthese

Für saubere Energie – Wasserstoff effizient erzeugen

09.02.16 | Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

„Bei der künstlichen Photosynthese nutzt man quasi ein künstliches Blatt, das unmittelbar Wasserstoff durch Wasserspaltung erzeugt.“ Prof. Dr. Thomas Hannappel, Leiter Institut für Photonik, Technische Universität Illmenau
„Bei der künstlichen Photosynthese nutzt man quasi ein künstliches Blatt, das unmittelbar Wasserstoff durch Wasserspaltung erzeugt.“ Prof. Dr. Thomas Hannappel, Leiter Institut für Photonik, Technische Universität Illmenau (Bild: Privat)

Wie kann die Frage nach sauberer Energie beantwortet werden? Der Wissenschaftler Prof. Dr. Thomas Hannappel setzt auf Wasserstoff und erläutert im LP-Interview, auf welche Weise die künstliche Photosynthese eine Lösung darstellen könnte. Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus.

LP: Herr Prof. Hannappel, fossile Brennstoffe sind nicht unbegrenzt verfügbar. Weltweit suchen Forscher nach erneuerbaren Energieträgern, die zugleich sauber und kostengünstig erzeugt werden können. Welche Rolle spielt hierbei der Wasserstoff?

Prof. Dr. Thomas Hannappel: Durch künstliche Photosynthese, das heißt durch die Zerlegung von Wasser mithilfe von Sonnenlicht in seine Bestandteile H2 und O2, kann Wasserstoff regenerativ und nachhaltig erzeugt werden. Bei seiner anschließenden Verbrennung entsteht wieder Wasser als Reaktionsprodukt. Somit kann man einen erneuerbaren, geschlossenen Kreislauf für die Energiewandlung und die chemische Speicherung realisieren, ohne die Erzeugung von Treibhausgasen, mit Wasserstoff als Energieträger, einem Brennstoff mit höchster Energiedichte. Die solar betriebene, direkte Wasserspaltung ist dabei die Königslösung, der heilige Gral der Elektrochemie. Diese wettbewerbsfähig zu entwickeln, scheint mit Konversionseffizienzen ab 15% im Bereich der Möglichkeiten und wäre die Lösung der globalen Energieprobleme inklusive der Energiespeicherung. Mit unserem neuen Bestwert von 14%, der deutlich über dem bisherigen, 17 Jahre währenden Rekordwert von 12,4% liegt, sind wir da schon nahe dran. Diese Ergebnisse, die in einer Kooperation der TU Ilmenau mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem California Institute of Technology erzielt wurden, sind im Wissenschaftsmagazin „Nature Communications“ veröffentlicht worden.

LP: Mit welchen Methoden lässt sich Wasserstoff derzeit herstellen, und gibt es Probleme, die hierdurch entstehen können?

Hannappel: Es gibt ganz unterschiedliche Herstellungsmethoden für die Wasserstofferzeugung. Die meisten, gegenwärtig industriell eingesetzten Methoden sind nicht regenerativ, indem konventionelle Brennstoffe wie Gas, Kohle oder Öl eingesetzt werden. Für die nachhaltige, sonnengetriebene Wasserstofferzeugung gibt es prinzipiell zwei Ansätze. Im ersten wird elektrische Energie genutzt, die einen Elektrolyseur betreibt. Diese Herstellung kann regenerativ und nachhaltig sein, wenn der elektrische Strom erneuerbar generiert wurde. Nichtsdestotrotz hat man hier zwei unabhängige, hinterein­ander geschaltete Prozesse – die Erzeugung elektrischer Leistung, die auch mit einem konventionellen Kraftwerk erfolgen kann und die anschließende Wasserstoff­erzeugung mittels eines Elektrolyseurs.

LP: Und wie unterscheidet sich der zweite Ansatz?

Hannappel: Beim zweiten, der künstlichen Photosynthese, nutzt man quasi ein künstliches Blatt, das beim Eintauchen und gleichzeitigen Beleuchten unmittelbar Wasserstoff durch Wasserspaltung erzeugt, ohne einen Umweg über einen weiteren Prozess. Dieser Variante wird bei erfolgreicher Umsetzung das größte Wertschöpfungspotenzial zugeschrieben. In beiden Fällen spielen die beiden Faktoren Erhöhung der Konversionseffizienz, die wir in unserer Veröffentlichung schon demonstriert haben, und Erhöhung der Stabilität, d.h. Verminderung von Korrosion, entscheidende Rollen.

LP: Sie konnten nun den Wirkungsgrad der so genannten direkten solaren Wasserspaltung von 12,4 auf 14% steigern. Wie sind Sie dabei vorgegangen?

Ergänzendes zum Thema
 
Zur Person – Prof. Dr. Thomas Hannappel

Hannappel: Der grundsätzliche Ansatz besteht darin, geeignete Mehrfachzellen zu verwenden und die kritischen Grenzflächen angemessen zu konditionieren. Auf dem Feld der Mehrfachsolarzellen waren wir in jüngster Vergangenheit ja bereits sehr erfolgreich mit der Entwicklung der weltbesten (Vierfach-)Solarzelle mit einer Konversionseffizienz von etwa 45%. Die Aufgabe bei der direkten Wasserspaltung ist allerdings noch anspruchsvoller. Hier muss die Tandemzelle im Betrieb genau die richtigen Leistungsmerkmale an den Tag legen, wie z.B. die genau richtige, generierte Spannung. Mit einem jetzt patentierten Verfahren gelang es uns dann auch noch, ganz spezifische, mit einem Katalysator beschichtete Grenzflächen so zu modifizieren, dass sie erhöhte Stabilität und Funktionalität zeigten.

LP: Welche Entwicklungsschritte stehen nun an, und welchen direkten Nutzen wird die Effizienzsteigerung haben?

Hannappel: Ein wichtiger Faktor der erhöhten Effizienz unserer neuen Photolyse-Zellen war der Einsatz von so genannten III-V-Halbleitern, die auf der einen Seite allerbeste opto-elektronische Qualität besitzen, auf der anderen Seite aber kostspielig als Basismaterial (Substrat) sind. Durch die Nutzung von Silizium als Hauptbestandteil und die Veredelung durch III-V-Halbleiter könnte man hier einen goldenen Weg beschreiten. An der Verbindung dieser beiden Halbleiter-Technologien, Silizium und III-V-Halbleiter, arbeiten wir gegenwärtig mit hoher Intensität und Erfolg. Auch dies ist ein Forschungsziel, das gegenwärtig unter großem Wettbewerb steht und an dem renommierte Gruppen weltweit arbeiten – ein generisches Element, das die ganze Optoelektronik beflügeln kann. Mit einer solchen III-V/Si-Tandemstruktur sind nächste Zielsetzungen, eine Effizienzsteigerung über 15% und eine Stabilität von mehr als 1000 Stunden zu erreichen. Darüber hinaus gilt die Forschung der Suche nach kostengünstigen und effizienten Katalysatoren. Und natürlich insgesamt dem mikroskopischen Verständnis dieser komplexen Zusammenspiele, wie dem Einfluss der kritischen Grenzflächen, denen wir uns insbesondere verschrieben haben. Am Ende geht es ja bei dieser anspruchsvollen Aufgabe um nicht mehr oder weniger, als das wichtigste Menschheitsproblem nachhaltig und endgültig zu lösen.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Prof. Hannappel.

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 43808292 / Wasser- & Umweltanalytik)

 

Wasser- & Umweltanalytik mehr Artikel zum Thema finden Sie hier