Im Verbundprojekt Neo-PEC haben Fachleute von drei Fraunhofer-Instituten ein Tandem-Modul entwickelt, das autark und sicher solar erzeugten, grünen Wasserstoff produziert. Denn mit Solarenergie erzeugter Wasserstoff könnte in Zukunft weitgehend fossile Energieträger ersetzen und damit zur Senkung der CO2-Emissionen beitragen.
Ein klassisches Verfahren für die Gewinnung von Wasserstoff ist die Elektrolyse, bei der Wasser unter Einsatz von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Stammt der zur Elektrolyse benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen wie der Photovoltaik, entsteht „grüner“ Wasserstoff. Doch die für diesen Prozess benötigten Elektrolyseure sind in der Regel große und hoch komplexe Anlagen. Und die kosten- und wartungsintensiven Vorrichtungen werden aktuell zur Mangelware.
Eine spannende Alternative bietet die direkte solare Wasserspaltung (photoelectrochemical cell, PEC). Im Projekt Neo-PEC haben Forschende aus drei Fraunhofer-Instituten hierfür eine modulare Lösung entwickelt, die eine hoch flexible Wasserstofferzeugung und -versorgung mit Sonnenenergie möglich macht.
Kern der 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.
Zentrum der Anlage ist ein mit Halbleitermaterialien beschichtetes Glas. Die Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler erforschten und entwickelten hochreine Halbleiter, die sie mit besonders schonenden Beschichtungsverfahren aufbringen. Dadurch wird die Wasserstoffausbeute des Prozesses optimal ausgenutzt. 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.
Im Ergebnis präsentiert sich ein Reaktor, dessen aktive Fläche einen halben Quadratmeter misst. Getrennt vom Sauerstoff erzeugt er den Wasserstoff, der unmittelbar aufgefangen werden kann. Die kompakten Elemente können ganz nach Bedarf zusammengeschaltet werden, vom Einzelmodul bis zu weiten Arealen.
Dass das Modul und die Zusammenschaltung stabil und reibungslos funktionieren, haben die Projektpartner in zahlreichen Feldversuchen bereits bewiesen. Die Fraunhofer-Teams, die ihren Reaktor im Juni erstmals erfolgreich auf der Messe Achema 2024 in Frankfurt präsentierten, planen nun ihre Lösung in Kooperation mit Unternehmen in verschiedene Richtungen weiter zu entwickeln – für eine direkte, sichere und effiziente dezentrale Wasserstofferzeugung und -versorgung.
Quellen:
- Forschung Kompakt Juli 2024 – Kompakte Kraftwerke für grünen Wasserstoff [PDF 0,14 MB]
- Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS (ikts.fraunhofer.de)
- pv-magazine.de/fraunhofer-forschungsprojekt-entwickelt-tandem-modul-zur-direkten-wasserstofferzeugung
