Umweltfreundliche Wasserstoffgewinnung mit Elektrolyse-Solarzelle

Wasserstoff ist seit Langem als umweltfreundlicher Energieträger für die Zukunft im Gespräch. Es gibt bereits Motoren für Kraftfahrzeuge, die mit Wasserstoff laufen und keine schädlichen Abgase ausstoßen. Nur die Gewinnung ist bislang ein großes Problem: Wasserstoff liegt zwar in praktisch unbegrenzten Mengen vor, muss aber mit großem Aufwand aus seinen Verbindungen abgetrennt werden. Forscher haben nun in der Zeitschrift „Nature Communications“ eine besonders effiziente Verbindung von Solarzelle und Wasserelektrolysegerät vorgestellt.

Heutzutage sind zwei Arten von Verfahren zur Wasserstoffgewinnung üblich. Hauptsächlich werden Kohlenwasserstoffe in großchemischen Verfahren eingesetzt, die gleichzeitig der Verarbeitung von Erdöl dienen. Die zweite Methode ist die Elektrolyse von Wasser. Sie hinterlässt vergleichsweise wenig Abfall- und Nebenprodukte, konnte sich aber wirtschaftlich noch nicht durchsetzen. In diesem Verfahren wird eine elektrische Spannung zwischen zwei Kontakten in Wasser angelegt. Wenn zwischen ihnen Strom fließt, wird das Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff getrennt. Kommt die Energie für das Verfahren aus erneuerbaren Quellen, kann der gesamte Prozess praktisch schadstofffrei ablaufen.

Illustration: Funktionsweise der Elektrolyse-Solarzelle

Das Forscherteam um Fatwa Abdi von der Technischen Universität Delft hat deshalb eine Solarzelle mit einem Wasserelektrolysegerät kombiniert. Ihre Entwicklung erreicht eine Effizienz von fast fünf Prozent bei der Umsetzung von Sonnenenergie in Energie, die im Wasserstoff gespeichert ist. Herkömmliche Verfahren mit getrennten Anlagen erreichen heute Effizienzen von etwa zehn Prozent. „Werden separate Solaranlagen und Elektrolysegeräte eingesetzt, hat man allerdings einen hohen Materialaufwand. Man arbeitet mit zwei getrennten Strukturen, die auch noch verbunden werden müssen. Unsere Kombination ist dagegen sehr kompakt und kommt mit wenigen, günstigen Materialien aus“, erklärt Roel van de Krol vom Helmholtz Zentrum Berlin, der mit seinen Kollegen ebenfalls an der Entwicklung beteiligt war, den neu entwickelten Prototypen.

Silizium, aus dem die heute üblichen Solarzellen bestehen, korrodiert in Kontakt mit Wasser. Die Wissenschaftler setzen daher eine Elektrode aus Wismut-Vanadat ein, einem in der Industrie verbreiteten gelben Farbpigment. Der Stoff wird direkt auf das Schutzglas einer Silizium-Zelle aufgebracht und kann dann mit Wasser bedeckt werden. Die durch eine Graphitleitung verbundene Kombination aus Wismut-Vanadat-Elektrode und Siliziumsolarzelle liefert dann die nötige Energie für die Elektrolyse. Eine besonders hohe Effizienz konnte erreicht werden, indem das Wismut-Vanadat mit Wolfram-Atomen versetzt wurde. Sie sorgen dafür, dass die Ladungsträger, die bei Lichteinstrahlung entstehen, sich nicht sofort wieder aufheben.

Ziel der Forscher ist es, mit ihrem Verfahren die Effizienz der herkömmlichen Solareketrolyse von zehn Prozent zu erreichen und es großflächig einsatzfähig zu machen. Das Konzept könnte dann gerade als Energiespeicher interessant sein: Bei einer in Deutschland realistischen Strahlungleistung von etwa 600 Watt pro Quadratmeter könnte eine 100 Quadratmeter große Anlage in nur eineinhalb Sonnenstunden eine Energiemenge von neun Kilowattstunden in Wasserstoff speichern. Das entspricht dem Stromverbrauch eines mittleren Haushalts am Tag.