Elektrolyseure sind in der Regel große und hoch komplexe Anlagen. Fraunhofer-Forscher haben im Verbundprojekt Neo-PEC nun eine spannende Alternative zur herkömmlichen Wasserstoff-Produktion entwickelt: die direkte solare Wasserspaltung, englisch photoelectrochemical cell (PEC). Der Ansatz verspricht eine hoch flexible Wasserstofferzeugung und -versorgung mit Sonnenenergie.

 

Kern der Fraunhofer-Entwicklung ist ein Tandem-PEC-Modul. Es ähnelt seinem klassischen Photovoltaik-Pendant – mit einem entscheidenden Unterschied: Der Strom wird nicht erzeugt, um später an anderer Stelle zu elektrolysieren. Der gesamte Vorgang läuft in ein und derselben Einheit ab.

Sonnenlicht wird absorbiert

Für die Tandemzelle beschichten die Fachleute handelsübliches Float- oder Flachglas auf beiden Seiten mit halbleitenden Materialien. Bei Sonneneinstrahlung absorbiert eine Modul-Seite das kurzwellige Licht. Gleichzeitig dringt das langwellige Licht durch die obere Glasschicht und wird auf der Umkehrseite aufgenommen. Dabei setzt das Modul auf der Umkehr- oder Kathodenseite Wasserstoff und auf der oberen, der Anodenseite, Sauerstoff frei.

»Über die Gasphase bauen wir Nanometer-dicke Schichten auf dem Glas auf. Die dabei entstehenden Strukturen haben einen großen Einfluss auf die Reaktor-Aktivität, zusätzlich zu den eigentlichen Materialeigenschaften, die wir ebenfalls optimiert haben,« erläutert Arno Görne, Gruppenleiter Funktionswerkstoffe für hybride Mikrosysteme am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Die im Modul verknüpften Photovoltaik-Elemente versorgen das System mit einer zusätzlichen Spannung: Sie wirkt wie ein Turbo, der die Aktivität beschleunigt und den Wirkungsgrad zusätzlich steigert.

30 Kilo Wasserstoff pro Jahr auf 100 Quadratmeter

Im Ergebnis präsentiert sich ein Reaktor, dessen aktive Fläche einen halben Quadratmeter misst. Getrennt vom Sauerstoff erzeugt er den Wasserstoff, der unmittelbar aufgefangen und quantifiziert werden kann. Aktuell erbringt ein einzelnes Modul bei europäischer Sonneneinstrahlung eine Leistung von über 30 Kilo Wasserstoff pro Jahr auf 100 Quadratmeter. Mit dieser Ausbeute könnte beispielsweise ein Wasserstoff-Auto 15.000 bis 20.000 Kilometer zurücklegen.

»In den Abmessungen der Tandemzelle sind wir dadurch begrenzt, dass unser Modul das Wasser direkt spaltet, aber hierzu auch Strom von einer Seite auf die andere gelangen muss. Bei zunehmender Modulfläche wirken sich die steigenden Widerstände ungünstig auf das System aus. Zum aktuellen Stand hat sich das vorliegende Format als optimal erwiesen. Es ist stabil, robust und deutlich größer als alle vergleichbaren Lösungen«, unterstreicht Görne. Die kompakten Elemente können ganz nach Bedarf zusammengeschaltet werden, von einem Einzelmodul bis zu weiten Arealen. (amo)