Energiespeicherung 02.05.2019, 13:00 Uhr

Mehr Wasserstoff aus gebündeltem Sonnenlicht

Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle als Langzeit-Energiespeicher für Solarstrom. Doch der Wirkungsgrad vieler Solarzellen ist noch recht niedrig. Forscher zeigen, dass gebündelte Strahlung zu besseren Ergebnissen führt.   

Experimentelle Solaranlage

Forscher des LRESE vor ihrer Solaranlage.

Foto: Marc Delachaux / EPFL

Bekanntlich entsteht Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser. Der elektrische Strom kommt aus Sonnenlicht – eine Möglichkeit, um saubere Energieträger für die Elektromobilität herzustellen. Für beide Schritte, nämlich die Produktion von Solarwasserstoff und die spätere Stromgewinnung per Brennstoffzelle, sind teure, seltene Metalle erforderlich. Außerdem ist der Wirkungsgrad recht niedrig. Aufgrund des steigenden Bedarfs versuchen viele Arbeitsgruppen weltweit, die Vorgänge zu optimieren.

Forscher des Laboratoriums für Erneuerbare Energien (LRESE) an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne bezweifeln nämlich, dass bestehende Technologien ausreichen, um eine große Zahl an Fahrzeugen zu versorgen. Sie entwickelten jetzt ein photoelektrochemisches System, das in Verbindung mit gebündelter Sonneneinstrahlung und mit einem intelligenten Wärmemanagement zu deutlich höheren Energieausbeuten führt. Ihr Wirkungsgrad lag in ersten Tests bei 17 %. Zum Vergleich: Marktübliche Systeme bewegen sich in einer Größenordnung von maximal 10 % bis 12 %. Der Rekord für im Labor hergestellte Silizium-Solarzellen liegt bei 24,7 %, wie Ingenieure der University of New South Wales in Australien berichten.

Gekühltes System für mehr Stromausbeute

Doch zurück zum Experiment an der LRESE. In der Versuchsanlage läuft eine dünne Wasserschicht über Solarzellen, um diese zu kühlen. Die Systemtemperatur bleibt vergleichsweise niedrig und jede Solarzelle erbrachte mehr Leistung als in herkömmlichen Systemen. Thermische Energie wird verwendet, um Katalysatoren für die Wasserelektrolyse zu erwärmen. Das verbessert chemische Reaktionen und führt zu mehr Effizienz in jedem Teilschritt.

Die Ergebnisse im Labormaßstab waren so vielversprechend, dass das Gerät hochskaliert wurde. Weitere Experimente fanden im Freien auf dem Universitätscampus Lausanne statt. Das Forschungsteam installierte einen Parabolspiegel mit sieben Metern Durchmesser, um Sonnenlicht auf die 1.000-fache Intensität zu bündeln. Ihr Sonnenkonzentrator dreht sich und folgt der Sonne über den Tag, um den Ertrag zu maximieren. Noch sind die Langzeit-Experimente nicht abgeschlossen. Zwischenergebnissen zufolge erzeugt die Anlage bei sonnigem Wetter bis zu 1 Kilogramm Wasserstoff pro Tag. Das reicht aus, um ein wasserstoffbetriebenes Auto 100 bis 150 Kilometer weit zu fahren. Die Wissenschaftler schreiben, man könne problemlos mehrere Anlagen kombinieren, um größere Wasserstoffmengen herzustellen.

Koffein als Energiebooster für Solarzellen entdeckt

Neben der Kühlung und der höheren Lichtintensität bleibt noch eine weitere Strategie zur Optimierung, nämlich das Material selbst. LRESE-Experten verweisen hier auf Ergebnisse zahlreicher Arbeitsgruppen. Perowskite, das sind Calcium-Titan-Oxide, lassen sich bei ähnlichem Wirkungsgrad kostengünstiger und einfacher als Siliziumzellen herstellen und sind damit recht interessant für die beschriebene Anwendung. Allerdings zersetzen sich Perowskite unter dem Einfluss von UV-Strahlung und Hitze.

Mehr oder minder zufällig fanden Chemiker der University of California in Los Angeles eine Lösung. Sie setzten bei der Synthese ihrer Perowskite geringe Mengen an Koffein zu. Tatsächlich entstanden reguläre, stabile Kristalle. Außerdem hatten Coffein-Solarzellen nach 1.300 Stunden bei 85 Grad Celsius noch 86 % ihres Wirkungsgrads. Ohne Zusatz lag der Wert nach 175 Stunden nur noch bei 60 %. Damit sind Perowskite mittelfristig eine Option für günstige Solarzellen.

Weiterentwicklung der Solaranlage durch Open Source

Langlebigkeit ist auch bei den mechanischen Komponenten ein Thema. LRESE-Experten schätzen, dass das System aktuell mehr als 30.000 Stunden, sprich fast vier Jahre läuft, bis die ersten Reparaturen fällig sind. Bei regelmäßigen Revisionen alle vier Jahre sollen es sogar 20 Jahre sein. Ob ihre Solarzellen altern, ist derzeit unbekannt. Kommerzielle Systeme verlieren in 25 Jahren ein Zehntel ihres Wirkungsgrads.

Wie geht es weiter? Entwickler aus Lausanne laden Ingenieure weltweit ein, ähnliche Entwicklungen zu begleiten. Im Rahmen von Machbarkeitsstudien haben sie mehrere offene Schnittstellen für Kollegen entwickelt. Die Open-Source-Software SPECDO (Solar PhotoElectroChemical Device Optimization) hilft Kollegen, Komponenten für kostengünstige photoelektrochemische Systeme zur Herstellung von Solarwasserstoff zu entwickeln. Und SPECDC (Solar PhotoElectroChemical Device Comparison) ist ein Benchmarking-Tool, um verschiedene Systeme zu vergleichen.

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