Quelle:spectrum.ieee.org
Sonnenkollektoren vermehren sich auf Dächern und in Gärten weltweit, da Gemeinden nach erneuerbarem Strom schreien. Ingenieure in Belgien sagen jedoch, dass die Paneele mehr tun könnten, als das Licht anzuhalten – sie könnten auch Wasserstoffgas vor Ort produzieren, sodass Familien ihre Häuser heizen können, ohne ihre CO2-Bilanz zu vergrößern.
Ein Team vonKatholieke Universiteit Leuven, oder KU Löwen,sagt es hat sich entwickeltein Sonnenkollektor, der Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umwandelt, indem die Feuchtigkeit in der Luft verwendet wird. Der Prototyp nimmt den Wasserdampf auf und spaltet ihn in Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle. Bei erfolgreicher Skalierung könnte die Technologie dazu beitragen, eine große Herausforderung für die Wasserstoffwirtschaft zu bewältigen.
Wasserstoff verursacht im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen keine Treibhausgasemissionen oder Luftverschmutzung, wenn er in brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen oder Gebäuden verwendet wird. Doch fast der gesamte heute produzierte Wasserstoff wird mit einemindustrieller ProzessDabei handelt es sich um Erdgas, das letztendlich mehr Emissionen in die Atmosphäre pumpt.
Eine kleine, aber wachsende Zahl von Anlagen produziert „grünen“ Wasserstoff mittels Elektrolyse, bei der Wassermoleküle mit Strom gespalten werden – idealerweise aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne. Andere Forscher, darunter das Team in Belgien, entwickeln sogenannte direkte solare Wasserspaltungstechnologien. Diese nutzen chemische und biologische Komponenten, um das Wasser direkt auf dem Solarpanel zu spalten, wodurch große und teure Elektrolyseanlagen entfallen.
„Einen Weg zu finden, Wasserstoff auf eine einfachere oder effizientere Weise zu erzeugen, ist vielleicht eine Suche nach dem Heiligen Gral“, sagtJim Fenton, wer leitet dieSolarenergiezentrum in Floridaan der Universität von Zentralflorida.
KU Löwensitzt auf einem grasbewachsenen Campus in Flandern, der niederländischsprachigen Nordregion Belgiens. Anfang dieses Monats, ProfessorJohan Martensund sein Team an derZentrum für Oberflächenchemie und Katalysegaben bekannt, dass ihr Prototyp über ein ganzes Jahr im Durchschnitt 250 Liter Wasserstoff pro Tag produzieren könnte, was ihrer Meinung nach ein Weltrekord ist. Eine Familie, die in einem gut isolierten belgischen Haus lebt, könnte etwa 20 dieser Module ein ganzes Jahr lang für ihren Strom- und Wärmebedarf verwenden, prognostizieren sie.
Das Solarpanel ist 1,65 Meter lang – etwa so hoch wie ein Küchenkühlschrank oder dieser Reporter – und hat eine Nennleistung von rund 210 Watt. Das System kann 15 Prozent der zugeführten Sonnenenergie in Wasserstoff umwandeln, sagt das Team. Das ist ein deutlicher Sprung von 0,1 Prozent Effizienz, die sie vor 10 Jahren zum ersten Mal erreicht haben. (Separat internationale Forscher im letzten Jahrsagten, sie hätten es geschafft19 Prozent Effizienz bei der Herstellung von Wasserstoff aus direkter solarer Wasserspaltung.)
Allerdings war Martens' Labor in Bezug auf seine Technologie verschwiegen.Tom Bosserez, ein Postdoktorand, lehnte es ab, irgendwelche Einzelheiten offenzulegen, und verwies auf Bedenken hinsichtlich des geistigen Eigentums. Er sagt nur, das Labor sei auf „Katalysatoren, Membranen und Adsorbentien“ spezialisiert.
„Mit unserem Know-how in diesem Bereich konnten wir ein System entwickeln, das sehr effizient Wasser aus der Luft entnimmt und mithilfe von Sonnenenergie in Wasserstoff aufspaltet“, schreibt Bosserez in einer E-Mail. Auf die Frage nach den technischen Herausforderungen, denen sie sich während eines Jahrzehnts der Entwicklung gegenübersahen, sagt er: „Das Schwierigste ist, das Wasser aus der Luft zu holen.“
Akademische Arbeiten bieten vereinzelte Hinweise auf die Technologie, obwohl Bosserez sagt, dass ihre Forschung „über das hinausgeht, was wir veröffentlichen“. In den letzten Jahren haben die Ingenieure die Wirksamkeit einer Vielzahl von Materialien untersucht, darunter poröse Multi-JunctionSilizium Solarzellenmit „Porenabmessungen im Mikrometerbereich“;Dünnschichtkatalysatorenhergestellt aus Mangan(III)-oxid; und ein Poly(vinylalkohol)Anionenaustauschermembranmit einer Kaliumhydroxidlösung und Katalysatoren auf Nickelbasis.
Martens sagt allgemein, dass sein Team „billige Rohstoffe“ anstelle von Edelmetallen und anderen teuren Komponenten verwendet. „Wir wollten etwas Nachhaltiges gestalten, das bezahlbar und praktisch überall einsetzbar ist.“er sagte VRT, einem öffentlich-rechtlichen Rundfunknetz in Belgien.
Die Forscher planen, ihren Prototyp in einem Haus in der ländlichen Stadt Oud-Heverlee zu testen. Wasserstoff würde in den Sommermonaten in einem kleinen unterirdischen Druckbehälter gespeichert und im Winter durch das ganze Haus gepumpt. Wenn alles nach Plan verläuft, könnte das Team laut Martens 20 Paneele am Haus installieren oder ein größeres Nachbarschaftssystem bauen, damit andere Familien den „grünen“ Wasserstoff nutzen können.
Fenton vom Florida Solar Energy Center sagt, es sei viel zu früh, um festzustellen, ob oder wann wasserstoffproduzierende Solarmodule wirtschaftlich rentabel werden könnten. Die Technologie befindet sich noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium und – insbesondere in den USA – sind vorhandene Heizbrennstoffe wie Erdgas relativ günstig. Da die Länder jedoch daran arbeiten, den Klimawandel zu bekämpfen und mehr Gemeinden lokale erneuerbare Energieinfrastrukturen wie Dachsolaranlagen installieren, sieht er eine potenzielle Rolle für diese Wasserstoffsysteme.
„Wenn die Anwendung funktioniert, könnte sie sehr gut dazu geeignet sein, Wasserstoff zu erzeugen, den ich speichern und zum Heizen meines Hauses, zum Kochen verwenden und vielleicht in meinem Brennstoffzellenauto betreiben könnte“, sagt Fenton. „Es sind diese futuristischen Möglichkeiten. Aber es ist immer noch etwas, worauf wir uns vorbereiten müssen.“