Wasserstoff aus Sonnenlicht

Die Bedeutung der solaren Stromerzeugung nimmt weltweit immer stärker zu. So wurden 2014 erstmals mehr als 50 Gigawatt an neuer Photovoltaikleistung installiert, womit auch die Frage nach der Speicherung dieses Solarstroms immer mehr in den Vordergrund rückt. Eine von verschiedenen Möglichkeiten ist die Umwandlung mittels der Elektrolyse von Wasser oder Kohlendioxid, um so chemische Energieträger – beispielsweise Wasserstoff – zu gewinnen. Die in einer Solarzellen durch den Photoeffekt erzeugten Ladungsträger können aber auch dazu verwendet werden, Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, um somit die im Sonnenlicht enthaltene Energie ohne Umwege zu speichern – ähnlich wie Pflanzen bei der Photosynthese mittels Licht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten und mit dem so gewonnenen Wasserstoff Kohlenstoffdioxid zu Glucose reduzieren.

Photokatalyse
In der Schweiz arbeiten verschiedene Forschergruppen auf dem Gebiet der Photokatalyse, um mittels Sonnenlicht und Wasser direkt energiereiche chemische Treibstoffe herzustellen. Eine grosse Herausforderung liegt in der für die Wasserspaltung erforderlichen Spannung von mindestens 1,23 Volt (in der Praxis mindestens 1,7 Volt), welche sich mit Standardphotovoltaikzellen (basierend auf Silizium) nur durch das Hintereinanderschalten vieler solcher Zellen realisieren liesse. In einer vielbeachteten Science-Publikation der Gruppe um M. Grätzel an der ETH Lausanne wurde im vergangenen Jahr hierzu ein neuer Ansatz präsentiert. In einer unter Einfall von Sonnenlicht Wasserstoff produzierenden Zelle wurden neuartige Perowskit-Solarzellen eingesetzt, welche eine relativ hohe Leerlaufspannung von mehr als einem Volt aufweisen, so dass mit nur zwei solchen Solarzellen eine Gesamtspannung von zwei Volt erreicht wurde, was für die Aufspaltung von Wasser ausreichend ist. Insbesondere wurden hier auch neue auf Nickel und Eisen basierende Katalysatoren eingesetzt, welche sogenannte Überspannungen (Unterschied zwischen der effektiv anzulegende Spannung zur Wasserspaltung und den theoretischen notwendigen 1,23 Volt) stark reduzieren. Unter Standardeinstrahlung (AM 1.5) konnte so im Labor eine Solare-zu-Wasserstoff-Effizienz (STH) von 12,3 Prozent demonstriert werden. In der Vergangenheit konnten solche STHs nur mit sehr viel teureren Solarzellen basierend auf III-V-Halbleitermaterialien und dem Einsatz von auf Seltenen Erden basierenden Katalysatormaterialien realisiert werden.

Photoelektrochemie
Eine weitere Schweizer Forschergruppe um A. Braun an der Empa und der Universität Basel wurde Ende 2014 für ihre Arbeiten im Bereich der solaren Wasserstofferzeugung in den USA als eine der «100 leading Global Thinkers» ausgezeichnet. Hier werden auf Eisenoxid (Hämatit) basierende Photoelektroden genutzt, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu zerlegen. Im Gegensatz zu der oben erwähnten Arbeit sind hier Photozelle und die Wasser spaltende Elektroden direkt in einer photoelektrochemischen Zelle integriert. Hämatit ist korrosionsbeständig und billig, freie Ladungsträger können sich darin aber nicht gut bewegen, so dass die lichtabsorbierenden Schichten äusserst dünn sein müssen. Die Innovation in den Arbeiten von A. Braun und Kollegen liegt in der besonderen spärischen Ausgestaltung dieser Hämatitschichten («Mottenauge»), mittels der das einfallende Licht eingefangen werden kann, so dass trotz einer dünnen Absorberschicht genügend hohe Photoströme zur Wasserspaltung erzielt werden können.

Dritter Weg
Einen gänzlich anderen Weg beschreiten die Forscher um A. Steinfeld an der ETH Zürich. Hier wird konzentrierte Solarenergie eingesetzt, um über thermochemische Prozesse Wasserstoff und/oder CO₂ aufzuspalten und so entweder reinen Wasserstoff oder Synthesegas – ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid – zu gewinnen. Aus Synthesegas lassen sich über weitere chemische Zwischenschritte flüssige Kohlenwasserstoffe wie Benzin oder Kerosin gewinnen. Da hier sehr viel höhere Temperaturen im Spiel sind, unterscheiden sich die Materialsysteme stark von denen in der Photokatalyse und Photoelektrochemie eingesetzten Zellen. Die Forschergruppe von A. Steinfeld gehört zu den weltweit führenden Labors auf diesem Gebiet. Im Jahr 2013 wurden diese Arbeiten mit einem ERC Advanced Grant des Europäischer Forschungsrat ausgezeichnet.

Diese Aktivitäten werden oder wurden in der Vergangenheit durch die BFE-Energieforschung co-finanizert. Für mehr Informationen, siehe EPFL-LPI (PEChouse), Empa – Functional Ceramic Materials for Energy and Environment und ETHZ-PREC.

Stefan Oberholzer, Leiter BFE-Forschungsprogramm Wasserstoff