Synlight: Wie der Wasserstoff aus dem Sonnenlicht kommen soll

Eine künstliche Sonne aus Xenonlampen (Bild: DLR)

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat eine künstliche Sonne gebaut und will damit auch effizientere Wege zur Erzeugung von Wasserstoff suchen. Obwohl die Forschung schon ein halbes Jahrhundert läuft, funktioniert noch kein Prozess so gut wie erhofft.
Von Frank Wunderlich-Pfeiffer

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), 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 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. 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.