Wasserstoff und E-Fuels vom eigenen Dach produzieren? Das ist gar nicht so weit hergeholt, wie es zunächst klingt. Am Karlsruher Institut für Technologie und der Universität von Toronto sind Forscher bei der Entwicklung eines Photoreaktors ein gutes Stück vorangekommen. Bei der Technologie geht es darum, Photosynthese nachzustellen. Dafür braucht es einen Photokatalysator, der, wenn er mit Photonen bestrahlt wird, die Strahlungsenergie in chemische Energie umwandelt und einen geeigneten Photoreaktor.
Bei den Katalysatoren ist die Entwicklung schon vorangekommen. „Inzwischen sind unterschiedliche Photokatalysatoren bekannt“, sagt Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT. „Mit ihnen lässt sich zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, es lassen sich aber auch klimaneutrale Kraftstoffe aus Wasser und Kohlendioxid herstellen.“
In Karlsruhe widmeten Kant und sein Team sich daher den Photoreaktoren. Diese müssen die Ausgangsstoffe der chemischen Reaktion beinhalten und sollten unabhängig vom Einstrahlungswinkel der Sonne genügend Licht zum Photokatalysator transportieren. Idealerweise müssen die Photosynthese-Module dafür nicht dem Stand der Sonne nachgeführt werden.
Mit Hilfe von computergestützter Geometrieoptimierung konnten die Forschenden eine Art Wellblech-Struktur mit einer Röhre am spitzen Ende entwickeln, die so viel Licht wie möglich in den Reaktor bringt. „Wichtig ist außerdem, dass der Photoreaktor durch seine Struktur und das verwendete Material optimale Betriebsbedingungen für den Fotokatalysator gewährleistet, etwa die richtige Temperatur oder die passende Intensität bei der Absorption von Licht am Photokatalysator“, sagt Kant.
Das fertige Produkt besteht aus mikrostrukturierten Polymerpaneelen. Um die Reflexion des Lichts zu ermöglichen, haben die Entwickler diese Polymerbauteile mit Aluminium beschichtet. Das System wurde bereits im Labormaßstab getestet.
Ausgehend von Photonen-induzierten Redox-Reaktion von Kaliumhexacyanidoferrat (III) konnten das Team aus Karlsruhe einen UV-vis photokatalytische Effizienz von 5,8 Prozent nachweisen. Gegenüber den bisher genutzten Quarzglas-Kapillaren sei das eine Verbesserung um den Faktor vier. Dieser Effizienzgrad liegt bei 62 Prozent des theoretischen Limits, schreiben die Wissenschaftler in ihrer Publikation.
Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT
In der weiteren Arbeit wird das Team aus Karlsruhe mit Forschern der Universität Toronto zusammenarbeiten, um einen Photokatalysator zu entwickelt, der für den Reaktor angepasst ist und sehr effizient Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten kann. Anschließend soll der Katalysator in den Reaktor integriert werden und zur Massenproduktion präsentiert werden.
Dadurch, dass bei dem Verfahren kostengünstige Materialien und geometrische Formen, die von gängigen Produktionsmaschinen herstellbar sind, verwendet werde, prognostizieren die Forschenden einen Preis von 22 US-Dollar pro Quadratmeter Photoreaktor-Modulfläche. Das System sei in Dachanwendung und Freiflächen-Anlagen vorstellbar, heißt es in der Mitteilung des KIT.
Angesichts von anhaltenden Dürren in Europa und anderswo besticht das Photoreaktormodul noch mit einem anderen Trick. Der Reaktor kann theoretisch auch Trinkwasser erzeugen. Ob genügend Trinkwasser für einen Haushalt von so einer Dachanlage kommen kann, ist nicht beschrieben.
Die Ergebnisse der Forschungsgruppe sind im wissenschaftlichen Journal „Joule“ erschienen.
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„22 US-Dollar pro Quadratmeter Photoreaktor-Modulfläche.“?
Das klingt entweder optimistischer als optimistisch oder aber Solarthermie, welche um Grössenordnungen einfacher herzustellen ist, ist maßlos überpreist.
Wasserstoff darzustellen ist quasi ein Kinderspiel. Aber was mit dem Gas anfangen, wohin pumpen, mit welchem Druck?
Dazu gibt’s bereit bewehrte Methoden. Siehe z.B die Anlage Picea von der Firma HPS.