Quelle: sec.ucf.edu
Die Nutzung von Solarenergie zur Erzeugung von Wasserstoff kann durch zwei Prozesse erfolgen: Wasserelektrolyse mit solarerzeugter Elektrizität und direkte Sonnenwasserspaltung. Bei der Betrachtung von solarerzeugtem Strom spricht fast jeder von PV-Elektrolyse. Der Prozess funktioniert. Tatsächlich wurde es erstmals 1983 im Florida Solar Energy Center unter finanzierter Finanzierung durch das NASA Kennedy Space Center demonstriert. Obwohl technologisch machbar, ist es noch nicht wirtschaftlich lebensfähig. Neben den Kosten stellt sich die Frage, warum man Strom, einen sehr effizienten Energieträger, nutzen, um Wasserstoff, einen anderen Energieträger, zu erzeugen und ihn dann wieder in Strom umzuwandeln, um ihn wieder für den Einsatz zu nutzen? Mit anderen Worten, Strom ist so wertvoll wie Elektrizität, unser begehrtesten Energieträger, dass wir ihn vielleicht nicht für etwas anderes nutzen wollen. Dies gilt insbesondere dann, wenn Strom aus Photovoltaik hergestellt wird. PV als Energiequelle entspricht der Klimaspitzenlast der Versorgungsunternehmen des Landes. Man ist viel besser dran, PV-Strom als Strom zu verwenden, da es zu verschwenderisch ist, ihn sonst zu verwenden.
Wann wird es sinnvoll sein, Wasserstoff aus solarerzeugtem Strom herzustellen? Die Antwort ist, dass wir Wasserstoff jederzeit herstellen wollen, wenn Strom nicht verwendet werden kann - außerhalb der Spitzenzeiten in abgelegenen Gebieten und während saisonaler Schwankungen. Wasserstoff aus Wind, Wasserkraft, Geothermie oder jeder anderen Form von solarerzeugtem Strom ist wertvoll, wenn die Ressource nicht mit dem elektrischen Netzlastprofil übereinstimmt.
Wenn Solarstrom über PV-Elektrolyse-Brennstoffzelle keinen Sinn macht, was ist dann mit PV-Elektrolyt-Wasserstoff? Tatsächlich betrifft die Diskussion über die PV-Elektrolyse die Wasserstoffproduktion für den Einsatz als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge. Auch dieses Szenario scheint nicht praktikabel zu sein. Man denke an eine Wasserstofftankstelle, die 1.000 Gallonen Benzin pro Tag ausgibt, etwa die Hälfte des nationalen Durchschnitts. Beachten Sie, dass eine Gallone Benzin genau die gleiche Menge an Energie enthält wie in einem Kilogramm (kg) Wasserstoff. So benötigt eine Tankstelle etwa 1.000 kg Wasserstoff pro Tag. Bei Verwendung des niedrigeren Heizwerts von Wasserstoff beträgt die elektrische Energie, die zur Erzeugung eines kg Wasserstoff benötigt wird, 51 kWh (mit einem Elektrolysewert von 65 %). Das bedeutet, dass 1.000 kg/Tag Wasserstoff 51.000 kWh pro Tag Strom benötigen. Die Menge an PV, die für die Versorgung mit 51.000 kWh benötigt wird, kann geschätzt werden, indem die kWh durch 5 Stunden/Tag dividiert wird. So werden 10.200 kWp oder 10,2 Megawatt PV-Leistung für den Betrieb einer 1000 kg/Tag Wasserstofftankstelle benötigt. Beachten Sie, dass 1 kWp benötigt ca. 10 Quadratmeter Fläche für PV bei 10% Effizienz.
Die zweite Kategorie, die direkte Sonnenwasserspaltung, bezieht sich auf jeden Prozess, bei dem die Sonnenenergie direkt zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser verwendet wird, ohne den Zwischenelektrolyseschritt zu durchlaufen. Beispiele hierfür sind:
photoelektrochemische Wasserspaltung – diese Technik verwendet halbleitende Elektroden in einer photoelektrochemischen Zelle, um Lichtenergie in chemische Energie von Wasserstoff umzuwandeln. Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von photoelektrochemischen Systemen – eines mit Halbleitern oder Farbstoffen und ein anderes mit gelösten Metallkomplexen.
photobiologisch – dabei geht es um die Erzeugung von Wasserstoff aus biologischen Systemen unter Verwendung von Sonnenlicht. Bestimmte Algen und Bakterien können unter geeigneten Bedingungen Wasserstoff produzieren. Pigmente in Algen absorbieren Sonnenenergie, und Enzyme in der Zelle wirken als Katalysatoren, um Wasser in seine Wasserstoff- und Sauerstoffbestandteile aufzuspalten.
Hochtemperatur-Thermochemische Zyklen – diese Zyklen nutzen Sonnenwärme, um Wasserstoff durch Wasserspaltung mit thermochemischen Schritten zu erzeugen.
Biomassevergasung – dabei wird Wärme verwendet, um Biomasse in ein wasserstoffreiches synthetisches Gas umzuwandeln.
Die photoelektrochemischen und photobiologischen Prozesse müssen entwickelt werden, um den langfristigen Energiebedarf zu decken. Die heutigen Systeme sind weniger als 1 Prozent effizient (Solar-Wasserstoff) und müssen viel höhere Effizienzen erreichen, um wirtschaftlich zu sein. Außerdem gibt es keine großflächigen Installationen beider Technologien.
Die thermochemischen Hochtemperaturzyklen können hervorragende Wirkungsgrade erzielen (mehr als 40 Prozent), aber sie müssen konzentrierte Solarempfänger/Reaktoren verwenden, die Temperaturen von mehr als 800o C erreichen können. Es gibt eine Vielzahl von thermochemischen Zyklen, die untersucht wurden. (Siehe Produktion von Wasserstoff durch solare thermochemische Wasserspaltungszyklen).
Biomassevergasung nutzt Wärme, um Biomasse (Holz, Gräser oder landwirtschaftliche Abfälle) in ein synthetisches Gas umzuverwandeln. Die Zusammensetzung der Gase hängt von der Art des Ausgangsstoffs, dem Vorhandensein von Sauerstoff, der Temperatur der Reaktion und anderen Parametern ab. Biomassevergaser wurden als Festbett-, Wirbelbett- und Einspannbettreaktoren entwickelt.
