Klima: Solarreaktor gewinnt Wasserstoff

In einer Studie zeigen Ingenieure, wie man mit Sonnenenergie und einem Solarreaktor Wasserstoff aus Wasser gewinnen kann.

Artikel veröffentlicht am 21. April 2023, 7:39 Uhr, Patrick Klapetz

(a) Technische Darstellung des gesamten Standorts mit den wichtigsten Komponenten wie der Parabolspiegelschüssel, dem Reaktor und den dazugehörigen Geräten und Schränken (b) Nahaufnahme des integrierten Reaktors (Bild: Isaac Holmes-Gentle, Saurabh Tembhurne et al.)

Wasserstoff wird in Zukunft eine Schlüsselrolle bei den erneuerbaren Energien spielen. Ein Ingenieursteam vom École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hat nun einen Solarreaktor gebaut, der mit Sonnenenergie Wasserstoff aus Wasser gewinnen kann.

Eine der effektivsten Methoden zur Herstellung ist die Aufspaltung von Wasser in seine einzelnen Moleküle. Wird dieser Prozess mithilfe von Sonnenenergie durchgeführt, spricht man von künstlicher Fotosynthese. Diesen Prozess macht sich der neue Reaktor zunutze. Das System soll hocheffizient bei der Produktion von Wasserstoff sein.

Darüber hinaus fängt es auch die Abfallprodukte Sauerstoff und Wärme auf, um sie ebenfalls zu nutzen. Der Sauerstoff könnte für Krankenhäuser oder die Industrie nützlich sein, während die Wärme durch einen Wärmetauscher geleitet wird und zur Erwärmung von Wasser oder zur Beheizung von Gebäuden verwendet werden könnte.

Wie funktioniert der Reaktor?

Der EPFL-Reaktor sieht aus wie eine Satellitenschüssel und funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip: Die große gekrümmte Oberfläche sammelt so viel Licht wie möglich ein und konzentriert es auf das kleine Gerät, das in der Mitte hängt. In diesem Fall sammelt die Schüssel die Wärme der Sonne und bündelt sie um das 800-fache auf einen fotoelektrochemischen Reaktor. Wasser wird in diesen Reaktor gepumpt, wo die Sonnenenergie genutzt wird, um Moleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dabei wird auch Wärme erzeugt, die jedoch nicht als Systemverlust freigesetzt wird. Sie kann durch einen Wärmetauscher geleitet werden, damit man beispielsweise Räume heizen kann.

"Mit einer Ausgangsleistung von über 2 Kilowatt haben wir die 1-Kilowatt-Grenze für unseren Pilotreaktor geknackt und gleichzeitig einen rekordverdächtig hohen Wirkungsgrad für diesen großen Maßstab erreicht", sagte Sophia Haussener, korrespondierende Autorin der Studie.

Der Reaktor wurde im August 2020 und von Februar bis März 2021 an 13 Tagen getestet. Der Wirkungsgrad des Reaktors bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff lag demnach im Durchschnitt bei über 20 Prozent. Er produzierte rund 500 Gramm Wasserstoff pro Tag. Laut dem Team würde das mehr als die Hälfte des jährlichen Wärmebedarfs eines typischen Schweizer Vier-Personen-Haushalts decken.

Als Nächstes soll eine Demonstrationsanlage von einigen Hundert Kilowatt in einer Metallproduktionsstätte gebaut werden. Der gewonnene Wasserstoff soll zum Glühen von Metallen, die Wärme für Warmwasser und der gesammelte Sauerstoff für nahe gelegene Krankenhäuser verwendet werden. Wann es so weit ist, ist noch unklar.

Zur Studie

Die Studie Kilowatt-scale solar hydrogen production system using a concentrated integrated photoelectrochemical device (engl. Solares Wasserstoffproduktionssystem im Kilowatt-Maßstab unter Verwendung einer konzentrierten integrierten fotoelektrochemischen Vorrichtung) wurde am 10. April 2023 im Fachmagazin Nature Energy veröffentlicht.