Deutsche Wissenschaftler haben ein Tandemmodul zur direkten Erzeugung von grünem Wasserstoff erfunden, eine modulare und flexible Alternative zu großen Elektrolyseuren.

Aus der Sonnenenergie erzeugter Wasserstoff könnte in Zukunft möglicherweise fossile Brennstoffe ersetzen und zur Reduzierung der CO2-Emissionen beitragen. Im Verbundforschungsprojekt Neo-PEC haben Experten des Fraunhofer-Instituts ein Tandemmodul entwickelt, das autark und zuverlässig solar erzeugten grünen Wasserstoff produziert.

Wasserstoff ist eine Schlüsselkomponente bei der Umgestaltung industrieller Prozesse zur Reduzierung der Klimaauswirkungen. Der Kraftstoff verbrennt jedoch, ohne CO freizusetzen₂ Es muss ohne CO2-Fußabdruck produziert werden.

Ein klassisches Verfahren hierfür ist die Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Wird der für die Elektrolyse benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonnenkollektoren gewonnen, entsteht grüner Wasserstoff.

Der Nachteil besteht darin, dass es sich bei den für diesen Prozess benötigten Elektrolyseuren meist um große und sehr komplexe Anlagen handelt. Auch diese teuren und wartungsintensiven Geräte werden gerade im aktuellen Umfeld der globalen Klimapolitik immer knapper.

Solare Wasserstoffproduktion

Eine spannende Alternative bietet die direkte Nutzung von Sonnenenergie zur Wasserspaltung durch eine photoelektrochemische Zelle (PEC). Im gemeinsamen Forschungsprojekt Neo-PEC haben Forscher der drei Fraunhofer-Institute gemeinsam eine modulare Lösung entwickelt, die eine hochflexible solarbetriebene Wasserstoffproduktion und -verteilung ermöglicht.

Im Mittelpunkt dieser Entwicklung steht ein PEC-Tandemmodul. Es ähnelt seinem herkömmlichen Photovoltaik-Pendant, weist jedoch einen entscheidenden Unterschied auf: Der Strom wird nicht an anderer Stelle für die Elektrolyse erzeugt. Der gesamte Prozess findet in einer Einheit statt. Dabei ist stets Vorsicht geboten: Da bei dem Prozess Wasserstoff und Sauerstoff entstehen, muss die Struktur so ausgelegt sein, dass eine strikte Trennung zwischen den beiden Elementen während der Erzeugung und darüber hinaus gewährleistet ist.

Tandemmodulproduktion

Um eine Tandemzelle herzustellen, beschichten Experten handelsübliches Float- oder Flachglas auf beiden Seiten mit Halbleitermaterial. Trifft Sonnenlicht auf das Glas, absorbiert eine Seite des Moduls das kurzwellige Licht. Gleichzeitig dringt langwelliges Licht durch die oberste Glasschicht und wird auf der Rückseite absorbiert. Das Modul gibt auf der gegenüberliegenden Seite bzw. der Kathode Wasserstoff und auf der Oberseite, der Anode, Sauerstoff ab.

Im Rahmen des dreijährigen Projekts erforschten und entwickelten Fraunhofer-Wissenschaftler hochreine Halbleitermaterialien, die mithilfe ultraweicher Beschichtungsverfahren aufgebracht wurden. Dadurch kann die Wasserstoffausbeute der Anlage gesteigert werden.

Mithilfe der Dampfphase erzeugen wir Schichten von wenigen Nanometern Dicke auf dem Glas. Dabei entstehende Strukturen haben großen Einfluss auf die Reaktorleistung und wurden zusätzlich zu den eigentlichen Materialeigenschaften von uns optimiert. Angeschlossene Photovoltaikelemente im Modul versorgen das System mit zusätzlicher Spannung, einem Turbo, der den Betrieb beschleunigt und gleichzeitig die Effizienz steigert.

DR. Arno Görne ist Gruppenleiter für Funktionsmaterialien für hybride Mikrosysteme am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS.

Sicherheit

Das Ergebnis ist ein Ofen mit einer aktiven Oberfläche von einem halben Quadratmeter. Vom Sauerstoff abgespalten bildet es Wasserstoff, der direkt erfasst und gemessen werden kann. Derzeit kann ein Modul, das unter europäischen Bedingungen dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, mehr als 30 Kilogramm Wasserstoff pro Jahr und 100 Quadratmeter produzieren. Mit dieser Effizienz kann ein Wasserstoffauto beispielsweise 15.000 bis 20.000 Kilometer weit fahren.

Was die Abmessungen der Tandemzelle angeht, sind wir dadurch eingeschränkt, dass unser Modul Wasser direkt trennt, aber um dies zu erreichen, muss Strom von einer Seite zur anderen fließen. Mit zunehmender Blockfläche wirkt sich der zunehmende Widerstand ungünstig auf das System aus. Aus heutiger Sicht hat sich das bestehende Format als optimal erwiesen. Es ist stabil, robust und deutlich größer als jede vergleichbare Lösung. Vom Block bis zum Großteil lassen sich kompakte Bauteile bedarfsgerecht und ohne negative Folgen zusammenbauen – ein wesentlicher Vorteil der Fraunhofer-Lösung.

DR. Arno Corne

Verbindungserfahrung

Das gerade abgeschlossene Projekt ist ein gelungenes Beispiel für die Kombination von unternehmensübergreifender Zusammenarbeit und komplementärer Fraunhofer-Expertise. Das Fraunhofer IKDS untersuchte die Materialien und Verarbeitung für die photoaktive Schicht. Kollegen des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik ISD brachten ihre Expertise bei der großflächigen Beschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung ein. Das Design des Reaktors, die kostengünstige und zuverlässige Produktion sowie die anschließende Evaluierung der Module lagen in den Händen von Experten des Fraunhofer-Centers für Silizium-Photovoltaik (CSP).

Die Projektpartner haben bereits mehrere Feldtests durchgeführt, die den stabilen und reibungslosen Betrieb des Moduls und der Verbindungen belegen. Doch das Fraunhofer-Team stellte seinen Reaktor im Juni auf der Messe ACHEMA 2024 in Frankfurt vor. Erstens planen sie, ihre erfolgreiche interorganisationale Zusammenarbeit in einem Folgeprojekt fortzusetzen, und zweitens wollen sie ihre Lösung in Zusammenarbeit mit der Privatwirtschaft in mehrere Richtungen für eine direkte, sichere und effiziente dezentrale Wasserstoffproduktion weiterentwickeln. Verteiler.

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