{"id":18668,"date":"2023-10-04T09:30:33","date_gmt":"2023-10-04T07:30:33","guid":{"rendered":"https:\/\/www.biosphaere-alb.com\/wordpress\/?p=18668"},"modified":"2023-10-13T09:59:18","modified_gmt":"2023-10-13T07:59:18","slug":"gruener-wasserstoff-aus-solarenergie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.biosphaere-alb.com\/wordpress\/?p=18668","title":{"rendered":"Gr\u00fcner Wasserstoff aus Solarenergie"},"content":{"rendered":"

Forschungsteam der Universit\u00e4t T\u00fcbingen entwickelt neuartige Solarzellezur dezentrale Herstellung von Gr\u00fcnem Wasserstoff mit sehr hohem Wirkungsgrad<\/em><\/p>\n

Weltweit arbeiten Forschende an effizienteren Methoden zur Wasserstoffproduktion. Wasserstoff k\u00f6nnte entscheidend dazu beitragen, den Verbrauch fossiler Rohstoffe zu reduzieren, vor allem, wenn er mit erneuerbaren Energien hergestellt wird. Bereits existierende Technologien zur Herstellung von klimaneutralem Wasserstoff sind f\u00fcr eine breitere Anwendung noch zu ineffizient oder zu teuer. Wasserstoff gilt als Energietr\u00e4ger der Zukunft. Deshalb stellte schon 2014\u00a0 Toyota den \u201eMirai\u201c vor, das erste Wasserstoffauto mit Brennstoffzellentechnik in Serienproduktion. Ein Forschungsteam der Universit\u00e4t T\u00fcbingen pr\u00e4sentiert nun die Entwicklung einer neuartigen Solarzelle mit bemerkenswert hohem Wirkungsgrad. Sie erm\u00f6glicht eine dezentrale Herstellung von gr\u00fcnem Wasserstoff und hat das Potenzial f\u00fcr Anwendungen im industriellen Ma\u00dfstab. Die Ergebnisse wurden k\u00fcrzlich im Fachmagazin Cell Reports Physical Science ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n

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Detailaufnahme der photoelektrochemischen Solarzelle im Sonnensimulator: Wasserstoffgasbl\u00e4schen bilden sich an der mit Licht bestrahlten Solarzelle. Foto: \u00a9 Valentin Marquardt \/ Universit\u00e4t T\u00fcbingen<\/em><\/span><\/p>\n

Eine Solarzelle auf Tauchgang<\/strong><\/span>
\nWird Wasserstoff \u00fcber die sogenannte Elektrolyse mit erneuerbaren Energien aus Wasser hergestellt, bezeichnet man ihn wegen der klimafreundlichen Herstellung als gr\u00fcnen Wasserstoff. Bei der solaren Wasserspaltung, h\u00e4ufig auch als k\u00fcnstliche Photosynthese bezeichnet, wird Wasserstoff mit Energie aus der Sonne hergestellt. Ein Forschungsteam um Dr. Matthias May vom Institut f\u00fcr Physikalische und Theoretische Chemie der Universit\u00e4t T\u00fcbingen hat eine Solarzelle entwickelt, die integraler Bestandteil der photoelektrochemischen Apparatur ist und direkt mit den Katalysatoren f\u00fcr die Wasserspaltung zusammenarbeitet. Das Besondere der T\u00fcbinger Entwicklung: Ein zus\u00e4tzlicher externer Stromkreis, wie etwa bei einem Photovoltaik-Solarpanel, ist nicht mehr n\u00f6tig.<\/p>\n

Dieser innovative Ansatz macht die Technologie kompakter, flexibler und potenziell kosteneffizienter. Aber mit diesem Aufbau werden auch die Anforderungen an die Solarzelle gr\u00f6\u00dfer. \u201eUnter Forschenden auf dem Gebiet ist die Realisierung von stabiler und effizienter photoelektrochemischer oder direkter Wasserspaltung so etwas wie der \u201aheilige Gral`\u201c, sagt May.
\nDas Besondere am Aufbau der Solarzelle ist die hohe Kontrolle der Grenzfl\u00e4chen zwischen den verschiedenen Materialien. Die Oberfl\u00e4chenstrukturen werden hier auf einer Skala von wenigen Nanometern, also millionstel Millimetern, hergestellt und \u00fcberpr\u00fcft. Besonders schwierig sind kleine Kristalldefekte, die beispielsweise beim Wachstum der Solarzellenschichten entstehen. Diese ver\u00e4ndern auch die elektronische Struktur und k\u00f6nnen damit einerseits die Effizienz und andererseits die Stabilit\u00e4t des Systems senken.<\/p>\n

May erg\u00e4nzt: \u201cInsgesamt bleibt die Korrosion und somit die Langzeitstabilit\u00e4t der sich im Wasser befindenden Solarzelle aber die gr\u00f6\u00dfte Herausforderung. Hier haben wir nun gro\u00dfe Fortschritte im Vergleich zu unseren fr\u00fcheren Arbeiten gemacht.\u201c<\/p>\n

Der technische Aufbau der neuen Zelle ist innovativ und besonders wirkungsvoll zugleich. Die Effizienz der solaren Wasserspaltung wird in Form des Wirkungsgrades gemessen. Der Wirkungsgrad zeigt dabei an, wieviel Prozent der Energie des Sonnenlichts in nutzbare Energie des Wasserstoffs (Heizwert) umgewandelt werden kann. Mit einem Wirkungsgrad von 18% pr\u00e4sentiert das Forschungsteam den zweith\u00f6chsten je gemessenen Wert f\u00fcr die direkte solare Wasserspaltung und sogar einen Weltrekord, wenn man die Fl\u00e4che der Solarzelle ber\u00fccksichtigt. Die ersten etwas h\u00f6heren Wirkungsgrade f\u00fcr die Solare Wasserspaltung wurden 1998 mit 12% vom NREL in den USA pr\u00e4sentiert. Erst 2015 folgte der Sprung auf 14% (May et al.) und 2018 auf 19% (Cheng et al).<\/p>\n

Anwendung in gro\u00dfem Ma\u00dfstab denkbar<\/strong><\/span>
\nDass die Technologie kommerzialisierbar ist, zeigen inzwischen mehrere Ausgr\u00fcndungen an anderen Universit\u00e4ten mit deutlich geringeren Effizienzen. Erica Schmitt, Erstautorin der Studie, erkl\u00e4rt: \u201eWas wir hier entwickelt haben, ist eine Technologie der solaren Wasserstofferzeugung, die keine leistungsstarke Anbindung an das Elektrizit\u00e4tsnetz erfordert. Dadurch sind auch dauerhafte kleinere Insell\u00f6sungen zur Energieversorgung denkbar.\u201c<\/p>\n

Die T\u00fcbinger Arbeiten sind eingebettet in das Verbundprojekt H2Demo, an dem unter anderem das Fraunhofer Institut f\u00fcr Solare Energiesystem (ISE) beteiligt ist. Die n\u00e4chsten Schritte umfassen die Verbesserung der Langzeitstabilit\u00e4t, den Transfer auf ein kosteng\u00fcnstigeres Materialsystem auf Siliziumbasis und die Skalierung auf gr\u00f6\u00dfere Fl\u00e4chen. Die Forschungsergebnisse k\u00f6nnten einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung und zur Reduzierung von CO2-Emissionen leisten.<\/p>\n

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Brennstoffzellen-Technik von Elring-Klinger: Gr\u00fcner Wasserstoff im Autotank wird von der Brennstoffzelle in elektrische Energie verwandelt. Die wiederum treibt Elektromototen in Autos an. Die Gr\u00fcne Wasserstoff-Technik wird derzeit entwickelt als klimaneutrale Alternative f\u00fcr den Schwerlastverkehr und zur aktuellen Elektromobilit\u00e4t mit teuren und schweren Batterien.<\/em><\/span><\/p>\n

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Publikation:
\nSchmitt EA, Guidat M, Nussh\u00f6r M, Renz A-L, M\u00f6ller K, Flieg M, L\u00f6rch D, K\u00f6lbach M & May, MM. (2023). Photoelectrochemical Schlenk cell functionalization of multi-junction water-splitting photoelectrodes. Cell Reports Physical Science 4 (2023), 101606, https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.xcrp.2023.101606<\/a>.<\/p>\n

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