Der direkte Weg

Der gängige Weg, um Wasserstoff aus erneuerbaren Energien zu produzieren, ist die Elektrolyse – die Spaltung von Wasser mithilfe von Strom. Doch durch diesen Umweg über den „grünen“ Strom geht einiges an Energie verloren. Aber es geht auch anders – ganz ohne Strom.

Wasserstoffherstellung mit konzentrierten Sonnenstrahlen beim HYDROSOL-Projekt im spanischen Almeria. © DLR/ Ernsting

Wasserstoff aus dem Sonnenofen

Im spanischen Almeria testen Forscher die Produktion von Wasserstoff in einem Sonnenofen. Die Spiegel des Solarparks konzentrieren dabei die Sonnenhitze auf einen Kollektor, der sich bis auf 1.400 Grad aufheizt. Dadurch werden spezielle Redox-Materialien wie Nickel-Ferrit oder Ceroxid chemisch reduziert – sie verlieren Sauerstoff. Leitet man nun Wasserdampf über das Material, entnimmt das reduzierte Material ihm den Sauerstoff – und übrig bleibt Wasserstoff.

„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“, erklärt Projektleiter Martin Roeb vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „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: „Erste Anwendungen können Insellösungen sein, wenn zum Beispiel kein Anschluss an das Elektrizitätsnetz besteht. Dann lohnt sich unser Herstellungsverfahren eventuell bereits ab einer Wasserstoffproduktion von zehn Kilogramm pro Woche“, sagt Roeb. „Je nachdem, wie schnell die Entwicklung voranschreitet, könnte das Verfahren aber in zehn Jahren auch schon zur industriellen Erzeugung von Wasserstoff dienen.“

Bei der Photosynthese der Pflanzen wird Wasser gespalten, dabei entstehen Protonen als Zwischenprodukt. © Atmosphius/ iStock.com

Photokatalyse – von den Pflanzen abgeguckt

Doch solare Wasserspaltung geht auch ganz ohne Hitze – nach dem Vorbild der Natur. In der Photosynthese nutzen auch die Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um Wasser in seine Komponenten zu zerlegen. Sie produzieren dafür spezielle Enzyme, die diese photokatalytische Reaktion in Gang bringen. Für die Erzeugung von Wasserstoff als Zwischenprodukt sorgt dabei unter anderem die Hydrogenase. „Unter optimalen Bedingungen kann ein einziges Hydrogenase-Enzym in einer Sekunde 9.000 Wasserstoff-Moleküle herstellen“, erklärt Thomas Happe von der Ruhr-Universität Bochum.

Will man diesen Prozess im Labor oder im großtechnischen Maßstab nachbauen, benötigt man entweder größere Mengen dieser Enzyme oder aber vergleichbar wirkende chemische Katalysatoren. Forschern um Happe ist es zwar schon vor längerer Zeit gelungen, die Hydrogenase einer Grünalge im Reagenzglas zu erzeugen. Doch die Wasserstoffproduktion mit diesem Enzym ist noch ziemlich ineffizient.

Bessere Ergebnisse bringen dagegen Photokatalysezellen auf Basis anorganischer Hilfsstoffe – häufig sind dies Katalysatoren aus Edelmetallen. Eine jüngst entwickelte Variante dieser solaren Wasserspalter besteht beispielsweise aus einer leistungsfähigen Tandem-Solarzelle mit zusätzlichen funktionellen Schichten, in die Katalysatoren aus Rhodium-Nanoteilchen integriert sind. Unter simulierter Sonneneinstrahlung erzielte dieses System einen Wirkungsgrad von 18,5 Prozent in neutralem Wasser – ein neuer Weltrekord.

„Diese Arbeit zeigt, dass maßgeschneiderte Tandemzellen für die direkte solare Wasserspaltung das Potential haben, Wirkungsgrade jenseits von 20 Prozent zu erreichen“, erklärt Thomas Hannappel von der TU Ilmenau. Dennoch bleibe bis dahin noch viel zu tun. Denn die bisherigen Systeme sind eher kleine Prototypen, die mit hohen Kosten verbunden sind – wirtschaftlich rentabel sind sie nicht.