14.07.2015
ForschungUmwelt

Solare Wasserstofferzeugung

Vom Labor in die Praxis

  • © S. M. Anisur Rahman© S. M. Anisur Rahman
  • © S. M. Anisur Rahman
  • Abb. 1: Methoden zur Wasserstoffherstellung basierend auf Solarenergie und anschließende Verwendungsmöglichkeiten des produzierten Wasserstoffs.
  • Abb. 2: (A) Versuchsaufbau für photokatalytische Messungen (1: Photoreaktor, 2: Sonnenlichtsimulator, 3: Rührer, 4: Thermostat, 5: Messrechner, 6: Druckaufnehmer, 7: Druckanzeige, 8: zusätzlicher Tank als Reservoir, 9: Überdruckventil, 10: Probenentnahmestelle, 11: Schlenkanlage), (B) Vorder- und Rückansicht des Photoreaktors (12: Anschluss für Thermofühler, 13: Anschlüsse für den Thermostaten) und (C) typische Messkurve mit Druck- und Temperaturverläufen.
  • Abb. 3: Kumuliertes H2-Volumen und kumulierte Anzahl der Sonnenstunden (Wetterstation Berlin-Tegel) als Funktion der Zeit für den Zeitraum vom 15.07.2014 bis zum 13.08.2014. Die Ergebnisse wurden mit einem fixierten mesoporösen Kohlenstoffnitridkatalysator, Platin als Co-Katalysator und Triethanolamin als Opferreagenz erhalten.

Die Entwicklung und Testung neuer Materialien für die photokatalytische Herstellung von Wasserstoff beginnt im Labor. Für die Übertragung erfolgreicher Testergebnisse vom Labor in einen technischen Maßstab, wird ein Versuchsaufbau benötigt, dessen Daten auch für ein Scale-Up geeignet sind. Ein solcher Aufbau wurde im Rahmen des BMBF-Projektes „Light2Hydrogen“ entwickelt.

Wasserstoff
Durch die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger (Erdöl, Erdgas und Kohle) und der stetigen Zunahme des Energiebedarfs ist die Suche nach einer nachhaltigen Energiequelle eines der Top-Themen unserer Zeit. Aus Umweltaspekten scheint Wasserstoff das Ziel dieser Suche zu sein, denn bei seiner chemischen Verwendung als Energieträger kommt er ohne die Bildung von klimaschädlichen Treibhausgasen aus. Zudem konnte in den letzten Jahren die Effizienz von Brennstoffzellen, in denen der Wasserstoff kontrolliert zu Strom umgesetzt werden kann, verbessert werden, womit eine entsprechende Technologie zur Wasserstoffnutzung bereits vorliegt. Die Wirkungsgrade liegen derzeit bei ca. 60 %. Auch unterliegen chemische Prozesse teilweise einem Rohstoff-Wandel hin zu erneuerbaren Rohstoffquellen (Stichwort „Biomasse“), weshalb Wasserstoff zukünftig als Reduktionsmittel zur Defunktionalisierung der sauerstoffreichen Ausgangsverbindungen gebraucht wird. Es stellt sich daher hauptsächlich die Frage, wie der Wasserstoff nachhaltig erzeugt werden kann. Eine Lösung, die zurzeit weltweit intensiv erforscht wird, ist die Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht unter Verwendung eines oder mehrerer Photokatalysatoren, denn sowohl Wasser als auch die Sonne sind unbegrenzt verfügbar (Abbildung 1). Bereits die Energie, die die Sonne in einer Stunde auf die Erdoberfläche strahlt, würde ausreichen, um den Energiebedarf weltweit für ein Jahr zu decken. Die Suche nach geeigneten Photokatalysatoren, die in der Lage sind, das Sonnenlicht effizient zu nutzen und selbst auch nachhaltig sind, ist eine der Hauptaufgaben.

Photokatalysatoren
Zurzeit existieren noch keine Photokatalysatoren, die aktiv genug sind, um technisch eingesetzt zu werden. Die Erforschung neuer Photokalysatoren beginnt üblicherweise im Labor mit künstlichen Lichtquellen.

Problematischerweise gibt es keinen vereinheitlichten Photoreaktor für die Testung neuer Materialien. Der Aufbau, die verwendete Lichtquelle und die Versuchsbedingungen können von Forschungsgruppe zu Forschungsgruppe stark variieren. Daher sind viele Ergebnisse nicht ohne weiteres miteinander vergleichbar und ein Scale-Up der publizierten Ergebnisse auf einen Reaktor der unter realen Bedingungen Wasserstoff herstellen soll, ist kaum möglich. In einem vom BMBF geförderten Verbundprojekt (Light2Hydrogen) wurde an der TU Berlin ein Versuchsaufbau für den Laborbetrieb entwickelt (Abbildung 2), dessen Ergebnisse direkt für ein Scale-Up genutzt werden konnten. Der konzipierte Photoreaktor für den Laborbetrieb hat den Vorteil, dass das Licht planar durch ein Quarzglasfenster mit definierter Fläche eingestrahlt werden kann und somit nur minimale Verluste entstehen (ca. 5%). Weiterhin kann die erzielte Menge an Wasserstoff direkt auf die bestrahlte Fläche bezogen werden, wodurch in Verbindung mit einem Sonnenlichtsimulator, dessen Lichtspektrum der Sonne am nächsten kommt, schnell eine Hochrechnung der Wasserstoffproduktion auf größere Bestrahlungsflächen erfolgen kann, wenn das Licht jeweils vollständig vom Photokatalysator absorbiert wird. Innerhalb des Projektes wurde der Reaktor für die Bestimmung der Aktivitäten von Kohlenstoffnitriden als nachhaltige Photokatalysatoren für die Wasserreduktion eingesetzt, mit dem Ziel, die Ergebnisse für die Auslegung eines ersten Demonstrators zu nutzen.

Reaktionsbedingungen
Nach der Bestimmung der optimalen Reaktionsbedingungen (Katalysatorkonzentration, benötigte Menge an Co-Katalysator und Opferreagenz) für Katalysatordispersionen und fixierte Katalysatorfilme erfolgte eine Maßstabsvergrößerung der verwendeten Bestrahlungsfläche um den Faktor 800 von ca. 12 cm2 (Laborreaktor) auf eine Gesamtfläche von ca. 1 m2. Bei den Versuchen unter realen Bedingungen zeigte sich, dass der Einsatz eines dispergierten Katalysators problematisch ist, da dieser mit der Zeit sedimentiert und für die Reaktion nicht mehr zur Verfügung steht. Im Laborreaktor besteht dieses Problem aufgrund der viel kleineren Volumina nicht. Bei der Verwendung fixierter Katalysatorfilme im größeren Maßstab besteht zwar noch Optimierungsbedarf in der Präparation der Filme, aber die im Labor bestimmte Rate konnte unter realen Bedingungen bestätigt werden. In Abbildung 3 ist die produzierte Menge an Wasserstoff über einen Zeitraum von ca. 1 Monat dargestellt, welche gut mit der Anzahl an Sonnenstunden im Versuchszeitraum korreliert.
Die bisherigen Ergebnisse haben gezeigt, dass der Laborreaktor für ein Scale-Up genutzt werden kann, da bereits darin ähnliche Verhältnisse vorliegen wie später unter realen Bedingungen.

Weitere Beiträge zum Thema:
http://www.git-labor.de/category/tags/energie

Chemgapedia-Lerneinheit(en) zum Thema:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/16/pc/elektrochemie/bre...

Kontakt 
Dr. Michael Schwarze
Technische Universität Berlin
Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik
ms@chem.tu-berlin.de

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