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Forscher produzieren grünen Wasserstoff ohne Elektrolyseure

© H2-Demo Prototyp, Fraunhofer ISE© H2-Demo Prototyp, Fraunhofer ISEFreiburg/Ilmenau – Zur Herstellung von grünem Wasserstoff werden normalerweise Elektrolyseure eingesetzt, in denen unter Einsatz von Strom die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff erfolgt. Doch Forscher gehen bereits einen Schritt weiter und arbeiten an einer Direktspaltung von Wasser, ohne den Umweg bzw. den Einsatz von Elektrolyseuren.

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „H2Demo“ unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg arbeiten elf Partner an Demonstratoren für die direkte solare Wasserspaltung.

Neu: Wasserstoff-Produktion durch solare Wasser-Direktspaltung
Bei der Wasserelektrolyse wird mit elektrischer Energien Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Für die Produktion von grünem Wasserstoff kommen erneuerbare Energien zum Einsatz, die einen Wasser-Elektrolyseur antreiben. Einen Schritt weiter geht das Verfahren zur direkten solaren Wasserstofferzeugung über photoelektrochemische Prozesse.

Darunter versteht man die Absorption des Sonnenlichts in einem Halbleitermaterial, welches selbst eine ausreichend große Photospannung (> 1.6 Volt) generiert, um Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Es eignen sich insbesondere sogenannte Tandem-Absorber, bei denen zwei absorbierende Materialien elektrisch seriell verschaltet werden, analog zu Tandem-Solarzellen, die in der höchsteffizienten Photovoltaik bereits eingesetzt werden, teilte die Technische Universität Ilmenau mit.

H2-Demo Verbundprojekt: Optimierung der Tandem-Absorber
In kleinem Format wurde das neue Wasserstoffproduktionsverfahren bereits gezeigt. Ziel des Forschungsprojekts „H2-Demo“ ist es nun, erstmals größere Demonstratoren herzustellen.
„Zu den Arbeitspaketen in H2-Demo zählt die Optimierung der III-V Tandem-Absorber, die auf Silizium abgeschieden werden und deren Eigenschaften weiter verbessert und auf die spezifische Anwendung hin optimiert werden müssen“, sagt Projektkoordinator Dr. Frank Dimroth, Abteilungsleiter III-V Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE. „Zudem werden Prozesse und Anlagen für einen späteren industriellen Einsatz skaliert und neue Prozesse mit hohem Durchsatz entwickelt“, ergänzt er. Schließlich soll ein Demonstrator mit einer Fläche von 36x36 cm2 gebaut und auf einem Testfeld installiert werden, um die solare Wasserstoffeffizienz – H2-Erzeugung und Moduleffizienz – im Detail zu messen.

TU Ilmenau: Grenzflächen zwischen Silizium und III-V-Halbleitern im Fokus
Grundlage und der eigentliche Erfolg der Tandemstruktur ist es, den Halbleiter Silizium sowie die III-V-Halbleiter gut zueinander zu bringen. Im Ergebnis lässt sich das an einer genügend hohen Photospannung ablesen, d.h. genügend freie Energie, die für eine direkte Wasserspaltung notwendig ist. Zusätzlich zu den schwierigen Grenzflächen zwischen den Halbleitermaterialien sind auch die Grenzflächen von Bedeutung, die zwischen dem Bauelement, dem „künstlichen Blatt“, und dem wässrigen Elektrolyten liegen. Zum Einsatz kommt dabei eine an der TU Ilmenau speziell entwickelte in situ-Analytik, mit der die Grenzflächen-Struktur genau analysiert werden können.

„Dabei muss man sehr präzise vorgehen und hinschauen, sozusagen auf atomarer Skala genau, und das können wir an der TU Ilmenau“, so Professor Hannappel, Leiter des Fachgebiets Grundlagen von Energiematerialien und Stellvertretender Direktor des Thüringer Energieforschungsinstituts (ThEFI), der das Teilprojekt an der TU Ilmenau leitet.

Über das „H2Demo“ Projekt
Das „H2Demo“-Projekt ist ein Verbundprojekt mit elf Projektpartnern unter der Federführung des Fraunhofer ISE. Weitere Partner sind: Azur Space, Helmholtz Zentrum Berlin, HQ Dielectrics, LayTec AG, Philipps Universität Marburg, Plasmetrex GmbH, Sempa, Technische Universität Ilmenau, Technische Universität München sowie Universität Ulm. Das „H2Demo“ Projekt wird mit 14 Mio. Euro über einen Zeitraum von fünf Jahren gefördert und ist einer von mehreren Gewinnern des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ausgelobten Ideenwettbewerbs "Wasserstoffrepublik Deutschland" im Bereich Grundlagenforschung. Die Projekte ergänzen die drei industriegeführten Wasserstoff-Leitprojekte, die ebenfalls noch im Frühjahr 2021 starten sollen.

© IWR, 2021


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16.04.2021

 



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