Synlight: Wie der Wasserstoff aus dem Sonnenlicht kommen soll
Wasserstoff gilt für viele als Energieträger der Zukunft. Was fehlt, sind praxistaugliche und effiziente Wege, ihn zu erzeugen. Synlight ist eine neue Forschungsanlage des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR),(öffnet im neuen Fenster) in der unter anderem nach solchen Wegen gesucht werden soll. 149 Lichtbogenlampen mit jeweils 7 Kilowatt Leistung können jederzeit Sonnenlicht in einer Stärke simulieren, die sonst nur in Sonnentürmen mit Hilfe von großen Spiegelanlagen und der echten Sonne erreicht werden.
Im Betrieb verbraucht die Anlage bis zu ein Megawatt Strom, um zuverlässige und regelmäßige Forschungsarbeit zu gewährleisten. Die direkte Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht gehört dabei zu einem der Schwerpunkte der Forschung. Es gibt längst gut erprobte Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse. Aber der Umweg über die Stromerzeugung macht sie vergleichsweise ineffizient, zumal die Energie des Wasserstoffs im Anschluss zur Nutzung wieder umgewandelt werden muss. Die direkte Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht hat theoretisch das Potenzial, eine Effizienz von etwa 90 Prozent zu erreichen. Aber auch nach über einem halben Jahrhundert Forschung(öffnet im neuen Fenster) ist die Praxis davon noch weit entfernt.
Einfach Wasser richtig erhitzen
Dabei klingt die Sache zunächst ganz einfach. Bei der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Wasser und Wärme. Der Prozess muss nur umgekehrt werden. Aus Wärme und Wasser entstehen Sauerstoff und Wasserstoff. Das funktioniert auch. Die dafür nötigen Temperaturen liegen jenseits von 2.500 Kelvin, aber eine Anlage die die 10.000-fache Stärke des natürlichen Sonnenlichts erreicht, kann solche Temperaturen problemlos erzeugen. Wenn Wasserdampf derart aufgeheizt wird, zerfällt ein Teil der Wassermoleküle wieder in seine Bestandteile.
Aber hier fangen die Probleme an. Wasserstoff und Sauerstoff müssen auch wieder getrennt werden. Das sollte bei möglichst hohen Temperaturen geschehen, damit sie nicht wieder zu Wasser werden. Das ist auch möglich. Membranen mit Poren im Mikrometerbereich sind für Wasserstoffgas durchlässiger als für Sauerstoff und können die Stoffe so trennen. Experimente zeigen, dass das Prinzip funktioniert.(öffnet im neuen Fenster) Aber bisher wurde noch keine Membran gefunden, die dauerhaft den hohen Temperaturen standhalten kann.
Ein Umweg soll es leichter machen
Weil nicht sicher ist, ob es überhaupt möglich ist, eine solche Membran herzustellen, untersucht der größte Teil der Forschung mehrstufige Zyklen zur Erzeugung von Wasserstoff. Das Problem an den Zyklen ist die Effizienz. Sie sinkt mit jeder zusätzlichen Reaktion. Ein sehr einfacher Zyklus ist der Metall-Metalloxid-Zyklus. Der Sauerstoffanteil des Wassers oxidiert ein Metall, so dass Wasserstoff frei wird und als einziges Gas getrennt vom Sauerstoff vorliegt.
Anschließend muss der Sauerstoff aber wieder vom Metall getrennt werden, damit es wieder für die Gewinnung von Wasserstoff zur Verfügung steht. Dazu wird das Metalloxid aufgeheizt, bis sich der Sauerstoff vom Metall trennt, wenn das Metalloxid reduziert wird. Es ist dieser Prozess, der bei sehr hohen Temperaturen im Sonnenofen durchgeführt werden soll. Für die Effizienz gilt dabei mathematisch das Gleiche wie in jeder Kraft-Wärme-Maschine. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Oxidation und der Reduktion, um so höher ist die Effizienz - zumindest in der Theorie.
Der Teufel steckt im Detail
Die praktische Umsetzung ist deutlich schwieriger als die Theorie. So wird versucht, einen Zyklus mit Zink und Zinkoxid zu entwickeln. Aber wenn große Mengen Zinkoxid reduziert werden sollen, reagiert frei werdender Sauerstoff zu leicht wieder mit dem frisch entstandenen Zink. Außerdem findet die Reaktion nur an der Oberfläche des festen Zinkoxids statt, was die mögliche Reaktionsrate begrenzt.
Auch die hohen Reaktionstemperaturen von 2.000 Kelvin sind problematisch. Sie können zwar auf 1.750 Kelvin reduziert werden, wenn die Reaktion in einer Argon-Atmosphäre erfolgt. Aber dann muss das Argon wieder vom Sauerstoff abgetrennt und recycelt werden. Die nötigen Membranen jedoch würden dabei von kondensierendem Zink zugesetzt werden, das bei diesen Temperaturen einen nennenswerten Dampfdruck hat. Eine Studie(öffnet im neuen Fenster) schätzte die praktische Effizienz des Prozesses auf rund 20 Prozent.
Cadmium ist effizienter, aber leider giftig
Ein anderer Prozess könnte die doppelten Werte erreichen, hat aber seine ganz eigenen Probleme. Das Metall ist Cadmium. Für den Prozess hat das Metall seine Vorteile, aber seine Giftigkeit macht den Umgang schwieriger. Wenn das Cadmium-Oxid bei etwa 1.750 Kelvin in seine Bestandteile zerlegt wird, verdampft auch das Cadmium und kann damit sehr leicht aus der Reaktionskammer entfernt werden. Außerhalb der Kammer soll es sofort mit viel kälterem, flüssigem Cadmium versetzt werden, um das gasförmige Cadmium zu kondensieren und vom Sauerstoff zu trennen.
Ganz abgesehen von der Giftigkeit des Cadmiums müssen dazu auch die nötigen Anlagen entwickelt werden, insbesondere die zur Kondensation des Cadmiums. Dazu kommt das Problem, dass selbst das flüssige Cadmium nach Abschalten der Anlage fest wird und Rohrleitungen verstopfen kann. Trotzdem bleibt der Prozess interessant, weil er sehr effizient und relativ einfach ist.
Die meisten vorgeschlagenen Prozesse kommen aber ohne derart giftige Bestandsteile aus. Dafür bestehen sie oft aus mehreren Reaktionsschritten, bei denen die theoretisch erreichbare Effizienz reduziert wird und jeder Reaktionsschritt eigene Probleme wie zu langsame Reaktionsgeschwindigkeiten oder ungewollte Nebenreaktionen mit sich bringt.
Energiesparende Elektrolyse
In einem Projekt namens Sol2Hy2(öffnet im neuen Fenster) verfolgt das DLR auch einen hybriden Ansatz. Dabei wird Wasserstoff durch Elektrolyse mit einem Siebtel der sonst nötigen Energie gewonnen. Dazu wird das Wasser nicht direkt gespalten, sondern in einer Elektrolysezelle werden Schwefeldioxid und Wasser zur Reaktion gebracht. Dabei entsteht Schwefelsäure und Wasserstoff. Um den Kreislauf zu schließen, wird die Schwefelsäure danach im Sonnenofen in zwei Schritten wieder in Wasser, Sauerstoff und Schwefeldioxid gespalten. Daher stammt auch die Energie, die bei der Elektrolyse scheinbar eingespart wird. Bevor so ein Prozess aber betriebsbereit ist, müssen für jeden Teilschritt dieses Prozesses eigene Anlagen entwickelt und optimiert werden.
Das Problem bei der Herstellung von Wasserstoff mit Sonnenstrahlung war nie, die eine Reaktion zu finden, mit der das gelingen kann. In Forschungsprogrammen in den USA wurden schon für die Vorauswahl Hunderte bekannte Kombinationen chemischer Reaktionen untersucht,(öffnet im neuen Fenster) , von denen Dutzende in die nähere Auswahl kamen. Zur Entwicklung und Optimierung der besten Kandidaten ist viel Forschungsarbeit nötig. Eine Sonne, die nach Belieben ein und ausgeschaltet werden kann, wäre den Forschern dabei eine große Hilfe - und genau das haben sie nun mit Synlight.