Der Markt für grünen Wasserstoff ist wie eine Rakete gestartet, vor allem dank der Verfügbarkeit von kostengünstigem Wind- und Solarstrom für die Wasserelektrolyse. Die Forscher ruhen sich jedoch nicht auf ihren Lorbeeren aus. Das Rennen ist eröffnet, um das hocheffiziente Wasserstoffproduktionssystem der Natur, auch bekannt als Photosynthese, nachzuahmen. Es war ein langer Weg, aber der Traum vom „künstlichen Blatt“ nimmt endlich Gestalt an.
Viele Wege zu grünem Wasserstoff
Um es klar zu sagen: Fossile Energieressourcen dominieren immer noch den globalen Wasserstoffmarkt. Nicht für lange. Alternative Quellen drängen auf den Markt, wobei einfaches altes Wasser führend ist.
Bisher konzentrierte sich der größte Teil der nachhaltigen H2-Aktivität auf die Elektrolyse, bei der erneuerbare Energie einen elektrischen Strom erzeugt, der Wasserstoffgas aus Wasser schleudert.
Das ist ein großer Schritt auf der Nachhaltigkeitsleiter. Die Elektrolyse erfordert jedoch die Umwandlung erneuerbarer Ressourcen in Strom. Da viele andere Nutzer auf das Feld drängen, müssen sich Wasserstoff-Stakeholder in den Wettbewerb um Wind- und Solarenergie drängen.
Eine Möglichkeit, mehr Spielraum zu schaffen, besteht darin, die Effizienz von Elektrolysesystemen zu verbessern. Der Druck, Wind- und Solarressourcen für andere Zwecke einzusetzen, wird jedoch weiter anhalten, wenn sich die Klimakrise verschlimmert.
Eine andere Möglichkeit, den Druck zu verringern, besteht darin, alternative Wege für nachhaltigen Wasserstoff zu entwickeln, beispielsweise Gas aus organischem Material oder Industrieabfällen.
Ein menschengemachtes Photosynthesesystem würde dem alternativen grünen Wasserstoff-Toolkit ein leistungsstarkes neues Werkzeug hinzufügen, teilweise weil es eine Problemumgehung für die Standortwahlprobleme bieten könnte, die die solare Entwicklung behindern können.
Auf der anderen Seite des großen Teichs bereitet beispielsweise ein Forschungsteam der University of Cambridge die Markteinführung vor ein kostengünstiges, haltbares künstliches Blatt. Ihr Gerät kann als landsparende Alternative zu Solaranlagen auf Kanälen und anderen Gewässern geschwommen werden.
Was ist das künstliche Blatt?
Die Idee eines künstlichen Blattes traf zuerst die CleanTechnica Radar im Jahr 2011, als wir den Harvard-Professor bemerkten Daniel Noceras Arbeit auf einem kostengünstigen, solarbetriebenen, nachhaltigen H2-System, das für den Heimgebrauch in netzfernen Gemeinden herunterskaliert werden könnte.
Die Wasserelektrolyse hat seitdem praktisch das gesamte Rampenlicht der Medien auf sich gezogen, aber die Forschung an künstlichen Blättern wurde zügig fortgesetzt.
Die Grundidee hinter dem künstlichen Blatt klingt einfach genug. Sie stellen einfach eine spezialisierte Solarzelle her, die als photoelektrochemische Zelle bezeichnet wird, tauchen sie in eine Lösung auf Wasserbasis und setzen sie Licht aus, wodurch die chemischen Reaktionen in der natürlichen Photosynthese nachgebildet werden.
Je nachdem, wer spricht, umfasst die Klasse der photoelektrochemischen Zellen zwei Untergruppen, von denen nur eine in der direkten Solar-zu-Wasserstoff-Produktion verwendet wird. Wir werden jedoch dem Beispiel der folgen US-Energieministerium, halten Sie die Dinge einfach und bleiben Sie beim allgemeinen Begriff photoelektrochemisch. Wenn Sie ein Problem damit haben, nehmen Sie es im Kommentarthread auf.
Warum ist das künstliche Blatt?
So oder so, es ist fair zu fragen, warum man sich die Mühe macht, grünen Wasserstoff mit photoelektrochemischen Systemen herzustellen, wenn wir bereits Wasserelektrolyse haben.
Forscher für künstliche Blätter weisen darauf hin, dass die Effizienz eines Elektrolysesystems nur ein Teil des grünen Wasserstoffpuzzles ist. Der andere ist die Effizienz der zugeführten Energie. Im Vergleich zu Strom aus Solarzellen ist der künstliche Blattansatz weitaus effizienter.
Die Forscherin der Purdue University, Yulia Pushkar, fasste es letztes Jahr in einer Pressemitteilung zusammen, als sie sagte, dass „es keine grundlegenden physikalischen Einschränkungen“ bei der künstlichen Photosynthese gibt.
„Man kann sich sehr leicht ein System vorstellen, das zu 60 % effizient ist, weil wir bereits einen Präzedenzfall in der natürlichen Photosynthese haben. Und wenn wir sehr ehrgeizig werden, könnten wir uns sogar ein System von vorstellen bis zu 80 % Wirkungsgrad,“ fügte Pushkar hinzu.
Im Gegensatz dazu die durchschnittliche solare Umwandlungseffizienz von Solarzellen liegt noch im Bereich von 20 %. Spezialisierte Versionen können viel höher gehen, aber sie sind auch viel teurer als die allgemein verwendeten.
NREL Augäpfel Künstliches Blatt für grünen Wasserstoff
Die photoelektrochemische Wasserstofferzeugung ist noch nicht marktreif. Forscher wissen, wie man die Reaktionen in der Photosynthese duplizieren kann, aber die Haltbarkeit war ein Hindernis. Sie haben noch nicht herausgefunden, wie Mutter Natur all ihre Bälle über einen längeren Zeitraum in der Luft hält.
Das Hauptproblem besteht darin, dass die in photoelektrochemischen Zellen verwendeten Halbleiter durch die wasserbasierte Lösung korrodiert werden. Das Energieministerium geht davon aus, dass das Problem der Haltbarkeit lösbar ist.
„PEK [photoelectrochemical] Die Wasserspaltung ist ein vielversprechender Weg zur Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff und bietet das Potenzial für hohe Umwandlungseffizienz bei niedrigen Betriebstemperaturen unter Verwendung kostengünstiger Dünnschicht- und/oder Partikelhalbleitermaterialien“, erklärt die Agentur auf ihrer Website und stellt fest, dass „kontinuierliche Verbesserungen in Bezug auf Effizienz, Haltbarkeit und Kosten für die Marktfähigkeit noch erforderlich sind“.
Um die Dinge voranzubringen, hat die Energieabteilung eine Reihe von Best Practices entwickelt, die von der entwickelt wurden Nationales Labor für erneuerbare Energien und das Lawrence Berkeley National Laboratory. Die Richtlinien wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Grenzen in der Energieforschung unter dem Titel, “Best Practices in PEC: Solar-zu-Wasserstoff zuverlässig messen Effizienz von Photokathoden.“
„Der Artikel zeigt den Weg auf, damit alle Labors einer einheitlichen experimentellen Praxis folgen können, beginnend mit den Materialien, die für die Herstellung von Fotoelektroden benötigt werden“, erklärte NREL letzte Woche in einer Pressemitteilung.
Grüner Wasserstoff wartet nicht auf Ihr künstliches Blatt
Wenn Sie sich wundern, warum die Wasserelektrolyse so schnell an Fahrt gewann, während die direkte Solar-zu-Wasserstoff-Technologie noch auf ihre Fertigstellung wartet, dann ist das eine gute Frage.
Ein Teil der Antwort liegt wahrscheinlich in den historischen Aufzeichnungen. Die Wasserelektrolyse ist eine jahrhundertealte Technologie, deren Wurzeln bis ins Jahr 1789 zurückreichen. Die Wasserelektrolyse hatte viele Möglichkeiten zur Feinabstimmung in anderen Anwendungen, einschließlich der Produktion von Sauerstoff auf der Internationalen Raumstation. Als Wasserstoffproduktionsweg machte es einfach nie viel Sinn, bis Solarzellen und Windturbinen begannen, die Weltwirtschaft anzutreiben.
Im Gegensatz dazu weist NREL darauf hin, dass das künstliche Blatt eine relativ neue Entwicklung ist. Nach Angaben des Labors tauchte eine Beschreibung der photoelektrochemischen Wasserspaltung erst 1972 in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung auf.
NREL bezeichnet sich selbst als gutes Beispiel für die Notwendigkeit, Standards und bewährte Verfahren in einem neuen Forschungsgebiet zu etablieren. 1998 berichtete NREL, dass es einen Solar-zu-Wasserstoff-Effizienzrekord von 12,4 % aufstellte und damit die erste Forschungseinrichtung war, die die 10 %-Grenze überschritt. Im Jahr 2016 musste das Labor diese Zahl jedoch nach unten korrigieren, nachdem festgestellt wurde, dass das Experiment zu stark beleuchtet war.
Mit ausgefeilteren Werkzeugen in der Hand stellte ein NREL-Forschungsteam 2017 einen neuen Rekord von 16,2 % Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff auf. Das könnte dem Zweck nahe kommen. Das Energieministerium strebt einen Wirkungsgrad von 25 % an, aber eine NREL-Analyse legt nahe, dass Solar-zu-Wasserstoff-Systeme wirtschaftlich wettbewerbsfähig sein könnten, ohne dieses Ziel zu erreichen.
Inzwischen hebt die Wasserelektrolyse regelrecht ab wie eine Rakete. Neben der Verdrängung von Wasserstoff aus fossilen Quellen aus der Kraftstoffproduktionsindustrie drohen die Interessengruppen für grünen Wasserstoff bereits damit, die langen Finger der fossilen Energie aus dem Düngemittelmarkt und anderen Schlüsselsektoren der Weltwirtschaft herauszuhebeln.
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Bildnachweis (Screenshot): Grüner Wasserstoff hergestellt aus ein photoelektrochemisches System Mit freundlicher Genehmigung von NREL.
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