Neue Entwicklung zur Herstellung von Wasserstoff mittels Sonnenlicht

Solarenergie erzeugt faktisch unbegrenzt verfügbaren und sauberen Strom, leider nicht immer in der Menge in der er gerade gebraucht wird. Eine Methode Solarenergie zwischenspeichern zu können ist die Verwendung des erzeugten Stroms zur Elektrolyse von Wasser (Wasserstoff als Energiespeicher). Der so erzeugte Wasserstoff kann beinahe beliebig lange gelagert werden und lässt sich mittels Gasleitungen auch über weite Strecken ohne größere Transportverluste transportieren. Mittels Brennstoffzelle kann der Treibstoff wieder in Wärme und Energie zurückgewandelt werden. Bei der Elektrolyse von Wasser kommt es jedoch unweigerlich zu Wandelverlusten, welche die Energiebilanz dramatisch verschlechtern können.

Die photoelektrochemische Zelle

Eine alternative Methode ist der Einsatz von photoelektrochemischen Zellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solaranlagen wird in diesen Zellen kein elektrischer Strom erzeugt. Vielmehr wird mittels Sonnenlicht Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Diese direkte Methode reduziert die Wandelverluste deutlich und weckt Hoffnungen auf breitere Anwendungsmöglichkeiten der Solarenergie.

Noch ist die Methode aber nicht effizient genug um mit den herkömmlichen Methoden, etwa der Elektrolyse von Wasser, konkurrieren zu können. Darüber hinaus benötigte man seltene und teuere Materialien wie Platin, welcher als Katalysator verwendet wird.

Zwei Forscherteams des EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne, Schweiz) präsentierten Anfang dieses Jahres eine verbesserte Methode, welche billigere und leichter verfügbare Materialien verwendet. Das Forscherteam um Xile Hu entwickelte einen Molybdänsulfid Katalysator, während die Gruppe um Michael Grätzel eine Photokathode aus Kupferoxid präsentieren konnte. Beide Materialien sind in großen Mengen verfügbar und relativ günstig herzustellen. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die neue Methode einen vergleichbaren Wirkungsgrad aufweist während die Beständigkeit des Systems gegenüber einem säurehaltigen Umfeld verbessert werden konnte.

Fazit

Der große Fortschritt ist also nicht eine Verbesserung der Effizienz. Vielmehr konnte gezeigt werden, dass die Bestandteile aus günstigeren und einfacher zugänglichen Materialien gefertigt werden können ohne an Leistung einzubüßen. Somit wurde ein weiterer Schritt getan um diese Technologie wettbewerbsfähig und nachhaltig zu gestalten. Von einer tatsächlichen Markteinführung ist die photoelektrochemische Zelle jedoch noch weit entfernt. Selbst unter Laborbedingungen konnte bisher nur ein Wirkungsgrad von 5% der einfallenden Lichtleistung erzielt werden. Um mit herkömmlichen Methoden wie der Elektrolyse konkurrieren zu können müsste der Wirkungsgrad mindestens verdoppelt werden.

Dieses Ziel erscheint jedoch auf absehbare Zeit durchaus realistisch. Wissenschaftler streben auf einen Zeitraum von 10 Jahren eine Steigerung der Effizienz auf 15 bis 20% an. Mit diesen Werten wäre die photoelektrische Zelle eine wirtschaftlich reizvolle Alternative zu herkömmlichen Solarzellen.

Quelle:
Morales-Guio CG, David Tilley S, Vrubel H, Grätzel M, Hu X. 2013. Hydrogen evolution from a copper(I) oxide photocathode coated with an amorphous molybdenum sulphide catalyst. Nature Communications, 8 January 2014