Wasserstoffgewinnung mit Hochtemperatur-PV

Photochemische Zelle: Licht erzeugt freie Ladungsträger, Sauerstoff (blau) wird durch die Membran gepumpt. (Grafik: idw/TU Wien)
Photochemische Zelle: Licht erzeugt freie Ladungsträger, Sauerstoff (blau) wird durch die Membran gepumpt. (Grafik: idw / TU Wien)
15.02.2016

Pflanzen können es, technisch ist es noch nicht effektiv möglich: Sonnenlicht auffangen und die Energie direkt chemisch speichern. Photovoltaik wandelt das Licht zunächst in Strom um, der dann zur Gewinnung von Wasserstoff genutzt werden kann – aber das Verfahren ist deutlich schwächer als die pflanzliche Photosynthese: zum einen, weil bei hohen Temperaturen der Wirkungsgrad konventioneller Solarzellen abnimmt, zum andern, weil die Schritte von der Energieaufnahme bis zur Wasserstoffgewinnung nur begrenzt effizient sind.


Am Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien wurde nun ein neues Konzept entwickelt, das einiges an Potenzial verspricht: Durch die Auswahl spezieller Materialien gelang es, Hochtemperatur-Photovoltaik mit einem elektrochemischen Element zu kombinieren. Damit kann man UV-Licht nutzen, um Sauerstoff-Ionen durch eine keramische Elektrolytmembran zu pumpen – so wird die Energie des UV-Lichts chemisch speicherbar. In Zukunft soll man mit dieser Methode Wasser mit Sonnenlicht direkt in Wasserstoff und Sauerstoff spalten können. Beide Gase können anschließend beliebig lange und ohne Energieverluste gespeichert werden und stehen dann als Rohstoffe oder zur Energieerzeugung auf Abruf zur Verfügung.
Hinter dem neuen Konzept steht die Idee, Elektrolyse bei hohen Temperaturen – zum Beispiel in einem Konzentrator-Kraftwerk – mit Photovoltaik direkt zu kombinieren. An der TU Wien hat jetzt der Doktorand Georg Brunauer einen Durchbruch bei dieser Technologie erzielt: Anstatt silizium-basierter Photovoltaik verwendete er spezielle Mischmetalloxide vom Typ Perovskit und erhielt so eine Zelle, die Hochtemperatur-Photovoltaik und Elektrochemie vereint.

Erst Spannung erzeugen, dann Ionen pumpen

„Unsere Zelle besteht aus zwei verschiedenen Teilen – nämlich aus einem oberen photoelektrischen und einen unteren elektrochemischen Teil“, sagt Georg Brunauer. „In der oberen Schicht werden durch Beleuchtung freie Ladungsträger erzeugt, genau wie in einer gewöhnlichen Solarzelle.“ Die Elektronen werden auf die untere Seite der elektrochemischen Zelle geleitet, wo sie Sauerstoffatome negativ aufladen, die dann durch die untere Schicht der Zelle hindurchwandern können.
„Das ist der entscheidende photoelektrochemische Schritt, der in weiterer Folge dann die Grundlage für Wasserzerlegung und Wasserstoffproduktion sein soll“, erklärt Brunauer. Die Vorstufe dazu – eine mit UV-Licht angetriebene Sauerstoff-Pumpe, funktioniert bereits und liefert bei 400 °C eine Leerlaufspannung von bis zu 920 mV.
Doch nicht nur zur Wasserstoffproduktion eignet sich das neue Konzept; man kann auch CO2 aufspalten und daraus CO in Hinblick für Kraftstoffsynthesen gewinnen. Damit die neue Erfindung den Sprung vom Universitätslabor in die Umsetzung eines Prototyps schafft, hat Georg Brunauer unter anderem mit einem Industriepartner das Startup-Unternehmen Novapecc gegründet. Gemeinsam mit der TU Wien wurden Patente angemeldet.

Buddensiek/idw
 

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