Wasserstoff mit Solarenergie herstellen, mit Sauerstoff und Wärme als Bonus

Wasserstoff ist ein nützliches Gas. Ganz gleich, ob Sie ein Luftschiff zum Schweben bringen, einen LKW betanken oder einen Industrieprozess heizen möchten, Wasserstoff kann die Aufgabe erfüllen. Allerdings ist die Herstellung derzeit ein heikles Thema. Obwohl es mit erneuerbarer Energie sauber hergestellt werden kann, ist es oft viel billiger, es mithilfe von Prozessen, die eine erhebliche Umweltverschmutzung verursachen, aus Kohlenwasserstoff-Brennstoffen herauszuspalten.

Es gibt jedoch Methoden, um Wasserstoff effizienter und in einem sauberen und nachhaltigen Prozess zu erzeugen. Dabei entstehen als Nebenprodukte auch nützliche Wärme und Sauerstoff. Der Schlüssel zum Prozess? Konzentrierter Sonnenschein.

Wasserstoff wird als sauberer Kraftstoff der Zukunft angepriesen, da er verbrannt oder zur Stromerzeugung mit minimalen bis keinen Emissionen verwendet werden kann. Es wird als potenzieller Treibstoff für Autos, Lastwagen, Züge, Flugzeuge und sogar Baumaschinen angepriesen. Obwohl der Wasserstoff selbst sauber ist, ist es bei seiner Erzeugung oft nicht sauber. Der Wettlauf um die Suche nach einer sauberen Methode zur Herstellung von Wasserstoff im großen Maßstab ist eröffnet. Die Forscher untersuchen dabei alles von Nanopartikeln bis hin zu fortschrittlichen Pyrolyseprozessen. Wenn man von „grünem Wasserstoff“ spricht, meint man damit Folgendes: Wasserstoff, der ohne schädliche Treibhausgasemissionen hergestellt wird.

Mit dem Ziel, äußerst sauberen Wasserstoff zu produzieren. Laut einem in Nature veröffentlichten Artikel haben Forscher eine Pilotanlage im Kilowattmaßstab mit Solarhydrolyse-Technologie demonstriert. Das System wird mit kommunalem Leitungswasser betrieben, das durch mehrere Partikelfilter und Entionisierer geleitet wird, um es für den Reaktor aufzubereiten. Im Inneren des Reaktors wird das entionisierte Wasser durch Licht erhitzt, das von einer parabolischen Spiegelschüssel mit 7 Metern Durchmesser eingefangen wird, die als Konzentrator fungiert, um die Sonnenenergie, die den Reaktor erreicht, zu maximieren. Dieses Licht erhitzt nicht nur das Wasser, sondern erreicht auch ein Photovoltaikpanel, das Energie für den Betrieb der PEM-Elektrolysezelle liefert, die das Wasser tatsächlich in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet.

Der Schlüssel zum System liegt in der Doppelnutzung des Solarenergieeintrags. Die grundlegendste Idee besteht darin, einfach Sonnenenergie aus einer Photovoltaikanlage zu nutzen, um eine PEM-Elektrolysezelle anzutreiben. In diesem Fall wird die Sonnenenergie jedoch auch zur Erwärmung des Wassers genutzt, was die Leistung des elektrochemischen Prozesses drastisch verbessert.

Ein ganzheitlicher Ansatz maximiert auch den wirtschaftlichen Wert des Systems. Die Abwärme des Systems wird mit einem Wärmetauscher erfasst, wo sie für verschiedene externe Heizzwecke genutzt werden kann. Darüber hinaus produziert das System nicht nur Wasserstoff, sondern auch Sauerstoff. Obwohl dies nicht direkt als Kraftstoff nützlich ist, ist es dennoch für eine Vielzahl industrieller und medizinischer Anwendungen nützlich.

Die Pilotanlage produziert etwa ein halbes Kilogramm Wasserstoff pro Tag. Das reicht aus, um ein einziges Wasserstoffauto eines Europäers mit einer durchschnittlichen jährlichen Kilometerleistung anzutreiben. Alternativ könnte eine solche Anlage etwa die Hälfte des Strombedarfs und über die Hälfte des jährlichen Wärmebedarfs eines durchschnittlichen Schweizer Haushaltes decken. Realistisch gesehen wäre in diesem Fall jedoch eine reine Photovoltaik-Solaranlage weitaus einfacher.

Es gibt bereits Pläne für den Bau einer größeren Anlage im Multi-Hundert-Kilowatt-Maßstab, die Wasserstoff für den Einsatz in einer Schweizer Metallproduktionsanlage produzieren soll. Außerdem wird es Sauerstoff für medizinische Zwecke und Warmwasser für die Fabrik liefern.

Wenn Sie übrigens daran interessiert sind, ein eigenes, ähnliches System zu entwerfen, steht Ihnen die Hilfe zur Verfügung. Die École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hat das Solar PhotoElectroChemical Device Optimization Tool, kurz SPECDO, veröffentlicht. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Webseite voller Rechner, die die Leistungsparameter eines bestimmten Solarwasserstoffgenerators ermitteln. Allerdings müssen Sie bei der Technik ziemlich geschickt sein und einen Weg finden, einen effektiven PEM-Elektrolyseur für Ihr Design zu beschaffen.

Wenn Wasserstoff tatsächlich zum Mainstream-Kraftstoff der Zukunft wird, werden solare photochemische Prozesse zu seiner effizienten Herstellung von entscheidender Bedeutung sein. Es hat keinen Sinn, große Summen für die Umstellung von Verkehr und Industrie auf Wasserstoff auszugeben, wenn wir ihn schließlich auf eine Weise produzieren, die immer noch Treibhausgasemissionen verursacht. Gleichzeitig zeigt diese Forschung, dass Wasserstoff immer noch keine Allheilmittellösung für alle unsere Probleme ist. Um sauberer zu sein als die Kraftstoffe, die es ersetzen soll, sind erhebliche technische Fähigkeiten und Fingerspitzengefühl erforderlich.