Seit hunderten Millionen Jahren tun Pflanzen etwas außergewöhnlich Kompliziertes. Ihre Blätter fangen Sonnenlicht ein und wandeln dessen Energie in chemische Energie um, die zur späteren Nutzung gespeichert werden kann. Inspiriert von diesem natürlichen Prozess hat ein Team europäischer Forschenden fast vier Jahre lang an der Entwicklung eines Systems gearbeitet, das mithilfe von Sonnenlicht Wasser spaltet und so grünen Wasserstoff erzeugt, der gespeichert und später als Energiequelle genutzt werden kann.

Für Dr. Ailbe Ó Manacháin, einen leitenden Wissenschaftler am University College Cork in Irland, der die Forschungsarbeiten leitete, war der Ausgangspunkt eine auf den ersten Blick einfache Frage: Könnte Sonnenlicht durch ein einziges, wiederverwendbares, CO₂-freies Mehrzellensystem direkt in grünen Wasserstoff umgewandelt werden? An den Arbeiten, die im Rahmen des von der EU finanzierten Projekts FreeHydroCells durchgeführt wurden, nahmen Forschende aus Irland, Frankreich, Deutschland und Italien teil.

„Wir wollten eine effizientere und kostengünstigere Methode zur Erzeugung sauberer Energie entwickeln, indem wir uns davon inspirieren lassen, wie Blätter Sonnenlicht einfangen“, sagte er.

Von Sonnenlicht zu Wasserstoff

Wasserstoff dürfte bei Europas Ausstieg aus fossilen Brennstoffen eine wichtige Rolle spielen. Die Erzeugung von Wasserstoff mithilfe erneuerbarer Energien ist jedoch nicht ganz einfach. Beim herkömmliche Ansatz für die Herstellung von grünem Wasserstoff wird Strom aus erneuerbaren Quellen genutzt, um einen Elektrolyseur anzutreiben, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Dazu sind separate Systeme erforderlich, um den Strom zu erzeugen und das Wasser zu spalten.

Die Forschenden von FreeHydroCells untersuchten einen stärker integrierten Ansatz, bei dem diese Funktionen in einem einzigen System vereint wurden. Ausgehend von neuen Halbleiterstoffen, die sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befanden, machten sie sich daran, ein vollständiges System zu entwickeln, das Wasser mithilfe von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten kann, ohne auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein.

Ihr Ziel war es, dabei Effizienz, Leistbarkeit und Langlebigkeit zu verbinden und Materialien zu verwenden, die reichlich vorhanden und nachhaltig sind. Außerdem wollten sie zeigen, dass sich die Technologie skalieren lässt, indem man von kleinen Zellen zu größeren übergeht und diese schließlich in einem einzigen funktionierenden Mehrzellensystem zusammenführt.

Blattähnlicher Prozess

Die Forschenden beschreiben ihre Technologie als „blattähnlich“ und nicht als künstliche Nachbildung der Photosynthese. Ein natürliches Blatt nutzt Sonnenlicht, Wasser und CO2, um organische Stoffe zu erzeugen, in denen Energie gespeichert wird. Das FreeHydroCells-System nutzt stattdessen Sonnenlicht, um einen kohlenstofffreien Prozess anzutreiben, bei dem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. „Letztlich ist ein Blatt auch eine solarbetriebene biochemische Fabrik“, erklärte Dr. Ulrich Plachetka, der Forschungsgruppen in den Bereichen Sensortechnologie und Energieumwandler bei der deutschen Nanotechnologie-Forschungsorganisation AMO mit Sitz in Aachen leitet.

Kernstück des Systems sind dünne Schichten aus Halbleiterstoffen, die so konstruiert sind, dass sie Sonnenlicht absorbieren können. Wenn ausreichend Lichtenergie absorbiert wird, entstehen elektrische Ladungen, die zu Schnittstellen mit Wasser geleitet werden können und so die Energie liefern, die zum Aufspalten der Wassermoleküle benötigt wird. Anders gesagt: Sonnenlicht wird innerhalb desselben Systems aufgefangen und in chemische Energie in Form von Wasserstoff umgewandelt.

Von der Zelle zum System

Das Konzept ist nicht völlig neu. Es wird bereits seit über fünf Jahrzehnten an fotoelektrochemische Zellen geforscht, doch die Umsetzung dieser Idee in eine praxistaugliche Technologie stellt eine weitaus größere Herausforderung dar. Die Forschenden mussten verschiedene Fachgebiete zusammenführen, darunter Halbleitermaterialien, Nanotechnologie, Wasserspaltung und Energieumwandlung. Außerdem mussten sie sich mit einigen grundlegenden praktischen Fragen auseinandersetzen. Könnte die Technologie auf einer größeren Fläche funktionieren? Könnten die verschiedenen Komponenten integriert werden? Und könnte das daraus resultierende System mithilfe von serienreifen Verfahren hergestellt werden?

Über mehrere Jahre wechselte das Team von neu entwickelten Halbleiterstoffen und kleinen Laborzellen zu Mehrschichtzellen mit größerer Fläche und letztlich zu einem mehrzelligen Wasserspaltungssystem. Diese Errungenschaft auf Systemebene ist ein wichtiger Bestandteil der Projektergebnisse. Anstatt nur eine einzelne funktionierende Zelle zu demonstrieren, haben die Forschenden mehrere Komponenten in ein größeres System integriert, das mit Blick auf eine spätere Serienanfertigung konzipiert wurde.

Tests mit simuliertem Sonnenlicht ergaben einen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff von etwa 18–21 % – ein hervorragendes Ergebnis für Systeme zur Wasserspaltung durch direkte Sonnenenergie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrolyseuren, bei denen zunächst Strom erzeugt werden muss, der dann zur Spaltung von Wasser genutzt wird, arbeitete das System ohne externe Stromzufuhr und nutzte direkt eingefangenes Sonnenlicht.

Die Technologie befindet sich noch auf dem Technologie-Reifegrad 4 (TRL 4), was bedeutet, dass sie sich in einer frühen Testphase befindet und noch kein für den kommerziellen Einsatz bereites Produkt ist. Für die Forschenden war es jedoch ein wichtiger Schritt, nachzuweisen, dass die verschiedenen Elemente auf einer großen Fläche zusammenwirken können.

Besserer Zugang zu sauberem Wasserstoff

Für das Forschungsteam reicht Effizienz allein jedoch nicht aus. Damit grüner Wasserstoff zu einer praktikablen Alternative zu fossilen Brennstoffen werden kann, muss er zudem leistbar und langlebig aber nicht von knappen Rohstoffen abhängig sein. Das FreeHydroCells-System nutzt Dünnschichttechnologien sowie reichlich vorhandene, nachhaltige und potenziell recycelbare Materialien.

Die Forschenden haben großflächige, leichte Bauteile entwickelt, die sich künftig zu modularen Systemen zusammenfügen lassen könnten. Dies könnte der erste Schritt in Richtung einer neuen Art der Energieerzeugung und -speicherung sein. Anstatt sich ausschließlich auf große, zentralisierte Anlagen zu verlassen, könnte Wasserstoff möglicherweise näher an den Orten produziert werden, wo er benötigt wird.

Langfristig streben die Forschenden dezentrale Energiesysteme an, die es Haushalten, Unternehmen und Gemeinschaften ermöglichen könnten, ihre eigene erneuerbare Energie zu erzeugen und zu speichern. Kleine Wind- oder Wasserkraftanlagen könnten die Solaranlage möglicherweise ergänzen und Energie speichern, wenn keine Sonneneinstrahlung vorhanden ist.

Ein derartiges System könnte die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und bei großflächigem Einsatz die bestehenden Energienetze entlasten, da der Bedarf an Energieübertragung über große Entfernungen mit kostspieliger Infrastruktur sinken würde. Außerdem könnte dies Gemeinschaften eine größere Widerstandsfähigkeit in Bezug auf die Verfügbarkeit, Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Energie verschaffen.

Derzeit handelt es sich hierbei jedoch eher um eine zukünftige Möglichkeit als um eine bereits umgesetzte Anwendung.

Vom Labor in die Haushalte

Die unmittelbare Herausforderung besteht darin, die Technologie über den derzeitigen Machbarkeitsnachweis im Labor hinaus weiterzuentwickeln und sie unter realistischeren, praxisnahen Bedingungen zu testen. Das nächste Ziel der Forschenden besteht darin, den Technologie-Reifegrad 5 zu erreichen und die Technologie in einem passenderem Umfeld zu demonstrieren. Dies bedeutet, dass das System auf größere Flächen ausgeweitet und gleichzeitig sichergestellt werden muss, dass es effizient hergestellt und schließlich auf den Markt gebracht werden kann.

„Es ist uns gelungen, das auf Ebene eines leichten Systems umzusetzen. Und ich kann gar nicht genug betonen, wie wichtig das ist“, sagte Ó Manacháin. Von einem Machbarkeitsnachweis im Labor bis hin zu einer kommerziell genutzten grünen Wasserstofftechnologie ist es noch ein weiter Weg. Die Forschenden haben das Konzept jedoch bereits weit über die Phase der technologischen Umsetzung hinaus entwickelt.

Ihr künstliches Blatt ist keine perfekte Kopie der Natur. Stattdessen macht es sich einen der ältesten Tricks der Natur zunutze – das Einfangen von Sonnenlicht und dessen Umwandlung in gespeicherte chemische Energie – und kombiniert dieses Prinzip mit modernen Halbleiter- und Fertigungstechnologien.

Wenn es gelingt, dieses Verfahren ausreichend langlebig, kostengünstig und skalierbar zu gestalten, könnte es letztendlich eine direktere und möglicherweise umweltschonendere Methode zur Erzeugung von grünem Wasserstoff bieten.

Es könnte dazu beitragen, die Erzeugung und Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen näher an die Orte zu bringen, an denen die Menschen leben und arbeiten. Dies könnte Gemeinschaften mehr Kontrolle darüber verschaffen, wie ihre Energie erzeugt, gespeichert und genutzt wird, und gleichzeitig ihren CO₂-Fußabdruck, ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die Belastung der bestehenden Energienetze reduzieren.

Von Maria Vlastara

Weitere Informationen:

· FreeHydroCells (CORDIS)
· Projektwebsite FreeHydroCells
· EU-Wasserstoffstrategie
· EU-Wasserstoffwoche