Forschung. Neuartige Methode für nachhaltige Energieversorgung

Auf Wasserstoff werden große Hoffnungen für eine klimaverträgliche Zukunft gesetzt. Strom aus erneuerbaren Quellen soll künftig in große Mengen des Gases umgewandelt und so für den Verbrauch in produktionsärmeren Zeiten gespeichert werden. Wasserstoff soll in vielen Bereichen, etwa in der Industrie, Erdgas ersetzen. Grüner Wasserstoff (siehe unten) wird aktuell meist mittels Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Ökostrom hergestellt. Es gibt aber auch einen direkten Weg: Photokatalyse. Sonnenlicht trifft dabei auf einen Katalysator aus speziellen Materialien, die Wasser direkt in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten können. Es ist quasi eine künstliche Version der Photosynthese.

Neun Prozent

Bislang erzielt man auf dieser Abkürzung, bei der man sich den Umweg über Strom erspart, keine allzu hohe Effizienz. Wissenschafter arbeiten weltweit daran, die photokatalytische Wasserspaltung zu verbessern. Ein Team der University of Michigan in den USA hat nun eine neue Methode vorgestellt. Dabei soll bis zu neun Prozent der verwendeten Sonnenenergie zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden – eine weit höhere Effizienz als bei bisherigen Verfahren.

Für Dominik Eder von der TU Wien, der selbst an Photokatalyse forscht, sind die Ergebnisse vielversprechend. „Sie weisen uns darauf hin, die Wärmestrahlung des Sonnenlichts, also das Infrarotspektrum, mehr zu verwenden.“ Die hohe Umwandlungseffizienz wird einerseits durch einen neuen Katalysator erreicht, bei dem aus einem bereits bekannten Materialmix winzige Nanodrähte geformt wurden. Andererseits wird das Sonnenlicht durch eine große Linse 160-fach verstärkt und auf eine kleine Fläche konzentriert. Die dadurch entstehende Hitze beschleunigt die Umwandlungsreaktion. „Man kennt das von Aspirin, das sich im warmen Wasser schneller auflöst“, sagt Eder.

Durch die zusätzliche Wärme kann noch mehr Wasser aufgespalten werden, allerdings nimmt die Effizienz nach einigen Stunden auch wieder ab. „Die Materialien fangen dann an, sich zu zersetzen.“ Laut Eder sei das technisch lösbar. Problematischer sei der Katalysator. Dessen Herstellung sei sehr energieaufwendig. Zudem seien verwendete Materialien wie Indium oder Rhodium sehr teuer. Man könne Photokatalyse auch mit günstigeren Materialien betreiben. Dann käme man zwar auf eine Effizienz von unter ein Prozent, aber: „In der Natur ist es auch nicht mehr.“
Für die Zukunft am aussichtsreichsten seien Hybridmaterialien aus anorganischen und organischen Stoffen: „Organische sind viel besser in der Aufnahme von Licht, anorganische sind besser bei der Aufspaltung von Wasser.“ Vorstellbar seien kleine Wasserstofferzeugungseinheiten, die man an Hausfassaden oder in transparenter Form in Fenstern integrieren könnte.

Die lokale Erzeugung und Verwertung von Wasserstoff wäre vorteilhaft, weil man sich Umwandlungs- und Transportverluste erspare. Als kleinstes chemisches Element ist Wasserstoff sehr flüchtig und daher schwierig für lange Zeit zu speichern. Stelle man Wasserstoff in großem Stil her, sei die Umwandlung in Methanol oder Ammoniak praktischer: „Mit diesen Stoffen hat man schon Erfahrungen, die Lagerung ist viel leichter.“ Methanol direkt durch Photokatalyse herzustellen, wäre das „ultimative Ziel“. Bis dahin müsse man aber noch viel Grundlagenforschung betreiben.

Wasserstofffakten

Farbenlehre
Wasserstoff kann durch Umwandlung von Erdgas hergestellt werden (braun, weil klimaschädlich) oder ohne fossile Energien mit Ökostrom (grün)

Umwandlung
In Brennstoffzellen wird aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom und Wasser

Einsatzbereiche
Künftig vor allem im Energiesystem, um Strom aus erneuerbaren Energien zu speichern und zu übertragen. Im Verkehr am ehesten für schwere Fahrzeuge. Batterietechnik wird aber immer besser und es mangelt sehr an notwendiger Infrastruktur für Wasserstoff

Kurier