Wie sich am S眉dpol mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen l盲sst und welche Methode daf眉r am meisten verspricht, hat nun ein Team vom , der 51本色 und der 51本色 Heidelberg untersucht. Ihr Fazit: In extrem kalten Regionen kann es deutlich effizienter sein, die Photovoltaik-Module direkt am Elektrolyseur anzubringen, also thermisch zu koppeln. Denn die Abw盲rme aus den PV-Modulen steigert die Effizienz der Elektrolyse. Die Ergebnisse dieser Studie, die nun in Energy & Environmental Science publiziert wurde, sind auch f眉r andere kalte Regionen der Erde interessant, zum Beispiel Alaska, Kanada, oder Hochgebirgsregionen. Dort k枚nnte gr眉ner Wasserstoff fossile Brennstoffe wie Erd枚l und Benzin ersetzen.
Als die , 51本色 Heidelberg, f眉r ihre Forschung die Antarktis besuchte, fiel ihr dort das intensive Licht auf. 鈥濭erade im Sommer ist es ja immer hell. Diese Sonneneinstrahlung k枚nnte eigentlich genutzt werden, um die Forschungsinfrastruktur mit Energie zu versorgen鈥�, stellt sie fest. Aber bisher werden Generatoren, Motoren und Heizungen in diesen entlegenen Regionen meistens mit klimasch盲dlichen fossilen Brennstoffen wie Erd枚l oder Benzin betrieben, die mit dem Schiff geliefert werden. Neben den damit verbundenen hohen Kosten sind auch Verschmutzungen durch kleinste Leckagen ein gro脽es Problem, die das besonders empfindliche 脰kosystem bedrohen.
Doch fossile Brennstoffe k枚nnten sich durch Wasserstoff ersetzen lassen, einen vielseitigen Energietr盲ger, der sich zudem sehr gut bei tiefen Temperaturen speichern l盲sst. 鈥濽nsere Idee war daher, mithilfe von Solarmodulen vor Ort w盲hrend des antarktischen Sommers klimaneutralen Wasserstoff zu produzieren, indem man Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet鈥�, sagt Dr. Matthias May, Leiter der Emmy-Noether-Forschungsgruppe SPECSY an der 51本色, der zuvor als Postdoc am HZB-Institut f眉r Solare Brennstoffe war. Rehfeld und May beantragten F枚rdermittel bei der VolkswagenStiftung, um zu untersuchen, wie sich auch bei Minustemperaturen mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen l盲sst und welche Methode daf眉r am besten geeignet ist. Denn w盲hrend K盲lte die Effizienz der meisten Solarmodule sogar erh枚ht, kann sie die Effizienz der Elektrolyse deutlich verringern.
Dr. Matthias May und sein damaliger HZB-Kollege Dr. Moritz K枚lbach, der jetzt als Postdoc an der Uni Ulm forscht, haben nun zwei unterschiedliche Ans盲tze experimentell miteinander verglichen: Einen konventionellen Aufbau, in dem das Photovoltaik-Modul vom Elektrolyse-Beh盲ltnis getrennt ist und einen neueren, thermisch gekoppeltem Aufbau, in welchem das Photovoltaik-Modul in engem Kontakt mit der Wand des Elektrolysebeh盲lters steht, so dass ein W盲rmeaustausch stattfindet. Um die antarktischen Bedingungen zu simulieren, besorgte K枚lbach einen Gefrierschrank, schnitt ein Fenster in die T眉r, das er mit Quarzglas verschloss und bestrahlte das Schrankinnere mit einem Sonnensimulator.
Den Elektrolyse-Beh盲lter f眉llte er mit 30-prozentiger Schwefels盲ure (auch als 鈥濨atteries盲ure鈥� bekannt), die einen Gefrierpunkt um die -35 Grad Celsius besitzt und Strom gut leitet. Dann baute K枚lbach die beiden Versuchszellen auf und f眉hrte die Messreihen durch. Im Betrieb zeigte sich, dass die Zelle mit den thermisch gekoppelten PV-Modulen mehr Wasserstoff produzierte, da die bestrahlten PV-Module ihre Abw盲rme direkt an den Elektrolyseur weitergeben. 鈥濿ir konnten die Effizienz sogar noch steigern, indem wir eine zus盲tzliche thermische Isolierung des Elektrolyseurs einbauten. Dadurch stieg die Elektrolyttemperatur unter Belichtung von -20 auf bis zu + 13,5 Grad Celsius鈥�, sagt K枚lbach.
Die Ergebnisse dieser Studie bekr盲ftigen, dass thermische gekoppelte Systeme eine potentiell h枚here Effizienz besitzen, als thermisch entkoppelte. Ob diese Vorteile wirtschaftlich genutzt werden k枚nnen, muss sich aber erst noch zeigen. 鈥濪aher wollen wir in der n盲chsten Phase Prototypen unter realistischen Bedingungen testen. Das wird sicher spannend und wir suchen hierf眉r momentan Partner鈥�, sagt Matthias May.
Nicht nur am S眉dpol, sondern auch in anderen, extrem kalten und d眉nn besiedelten Weltregionen k枚nnte vor Ort erzeugter solarer Wasserstoff eine Option sein, um fossile Brennstoffe zu ersetzen und die damit verbundenen Gefahren f眉r die Umwelt und den CO2-Austo脽 zu eliminieren. In Frage kommen die Hochalpen, Kanada und Alaska, die Anden sowie die Gebirgsregionen im Himalaya. 鈥濾ielleicht wird solar erzeugter Wasserstoff zuerst in solchen entlegenen Weltregionen wirtschaftlich sein鈥�, meint May und erinnert an den Siegeszug der Photovoltaik, der vor rund 60 Jahren zuerst im Weltraum bei der Versorgung von Satelliten seinen Anfang nahm.
Die Studie wurde von der im Rahmen der finanziert (鈥濻olar Hydrogen for Antarctica: Water Splitting under Extreme Conditions鈥�).
Literaturhinweis:
M. K枚lbach, K. Rehfeld, and M. May: Efficiency gains for thermally coupled solar hydrogen production in extreme cold, in: Energy & Environmental Science, 1 July 2021, .
Text: Dr. Antonia R枚tger, Wissenschaftsredaktion Helmholtz-Zentrum Berlin
Medienkontakt: Andrea Weber-Tuckermann