Fraunhofer-Forschungsprojekt entwickelt Tandem-Modul zur direkten Wasserstofferzeugung

Im Verbundprojekt „Neo-PEC“ haben drei Fraunhofer-Institute „eine spannende Alternative“ zur Wasserstofferzeugung mit Elektrolyseuren entwickelt. Das Kürzel PEC steht für photoelectrochemical cell, also eine photoelektrochemische Zelle, die direkte solare Wasserspaltung ermöglicht. Die im Juni erstmals präsentierte Lösung aus dem Forschungsprojekt besteht in einem Modul von rund einem halben Quadratmeter Fläche, das zu größeren Einheiten verschaltet werden kann und damit, so eine Mitteilung, „eine hoch flexible Wasserstofferzeugung und -versorgung mit Sonnenenergie möglich macht“.

Die als „Tandem-PEC-Modul“ bezeichnete Einheit besteht aus zwei Scheiben von mit halbleitenden Materialien beschichtetem Floatglas. Eine Modulseite absorbiert kurzwelliges Licht, während gleichzeitig langwelliges Licht durch die obere Glasschicht dringt und auf der Umkehrseite aufgenommen wird. Das Modul setzt hierbei auf der Umkehr- oder Kathodenseite Wasserstoff und auf der oberen Seite (Anodenseite) Sauerstoff frei. Wichtig ist, die beiden Elemente voneinander getrennt zu halten.
In drei Jahren Projektlaufzeit wurden hochreine Halbleitermaterialien erforscht und entwickelt, die in „besonders schonenden Beschichtungsverfahren“ aufgetragen werden. Dies erhöht den Angaben zufolge die Wasserstoffausbeute. Über die Gasphase werden hauchdünne, Nanometer messende Schichten auf dem Glas aufgebaut, erklärt Arno Görne, Gruppenleiter Funktionswerkstoffe für hybride Mikrosysteme am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS: „Die dabei entstehenden Strukturen haben einen großen Einfluss auf die Reaktoraktivität, zusätzlich zu den eigentlichen Materialeigenschaften, die wir ebenfalls optimiert haben.« Über im Modul verknüpfte „Photovoltaik-Elemente“ wird das System mit zusätzlicher Spannung versorgt. Diese wirke „wie ein Turbo, der die Aktivität beschleunigt und den Wirkungsgrad zusätzlich steigert“.

Das Resultat ist ein Reaktor, der getrennt vom Sauerstoff Wasserstoff erzeugt, welcher direkt aufgefangen werden kann. Unter europäischen Einstrahlungsbedingungen lassen sich den Angaben zufolge mit 100 Quadratmetern Modulfläche gut 30 Kilo Wasserstoff pro Jahr erzeugen. Damit könne „beispielsweise ein Wasserstoff-Auto 15 bis 20.000 Kilometer zurücklegen“. Zum Vergleich: auf der gleichen Fläche ließen sich mit Solarmodulen (ebenfalls in Mitteleuropa) rund 16.000 Kilowattstunden elektrische Energie erzeugen, die zur Elektrolyse von rund 300 Kilogramm Wasserstoff ausreicht.

Die Abmessungen der einzelnen Einheiten sind Görne zufolge „dadurch begrenzt, dass unser Modul das Wasser direkt spaltet, aber hierzu auch Strom von einer Seite auf die andere gelangen muss. Bei zunehmender Modulfläche wirken sich die steigenden Widerstände ungünstig auf das System aus“. Deshalb habe sich das jetzt gewählte Format beim aktuellen Stand der Entwicklung als optimal erwiesen. Es sei „stabil, robust und deutlich größer als alle vergleichbaren Lösungen«. Ein wesentlicher Vorteil sei die Skalierbarkeit durch das Zusammenschalten mehrerer Module.

Die beteiligten Institute – neben dem IKTS sind dies das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST sowie das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP – haben bereits mehrere Feldversuche zur Erprobung ihrer Entwicklung durchgeführt. Nun verfolgen sie zum einen das Ziel, ihre Kooperation in einem Folgeprojekt fortzusetzen, zum anderen ist die Einbeziehung von Unternehmen geplant.

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