Die besten Elektrolyseur-Photovoltaik-Kombinationen, demonstriert in Testfeldern
Integriertes PV-EC-Device bei Leistungstests am Freiluftteststand für realistische Betriebsbedingungen. © Sonya Calnan/HZB
Eine der vielversprechendsten Strategien, um die Verfügbarkeit der Sonnenenergie zu steigern, ist die Umwandlung überschüssiger Energie in Wasserstoff. Das Projekt PECSYS untersuchte, welche Kombinationen aus Werkstoffen und Technologien sich am besten für einen solchen Vorgang eignen.
Am Ende läuft alles auf die Elektrolyse hinaus. Durch die Kombination von Photovoltaikmodulen mit Elektrolysesystemen kann die überschüssige Energie in Wasserstoff umgewandelt und später verwendet werden, wenn die Nachfrage die Zufuhr übertrifft. Damit sind keine Pufferbatterien oder Gleichspannungswandler mehr erforderlich. Der Wasserstoff kann in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet werden und die Nutzenden erhalten einen CO2-freien Energiekreislauf, von der Erzeugung über die Speicherung bis hin zur Verwendung.
Ziel des Projekts PECSYS (Technology demonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogen production) ist es, diese Technologie voranzubringen, indem es verschiedene Kombinationen aus Elektrolyseuren und Photovoltaikzellen erforscht. „Anfangs planten wir, verschiedene Werkstoffe zu testen und dann den besten für die finale Umsetzung in einem Vorführsystem auszuwählen. Wir lernten jedoch bald, dass verschiedene Ansätze verschiedene Vorteile bieten. Statt uns gegen mehrere Möglichkeiten zu entscheiden und nur eine weiterzuverfolgen, untersuchten wir daher mehrere Technologien“, so Sonya Calnan, Leiterin der Gruppe „Photovoltaik-zu-Brennstoff-Technologie“ am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Projektkoordinatorin.
Verknüpft oder integriert?
Was die Elektrolyse betrifft, konzentrierte sich das Konsortium auf sowohl direkt verknüpfte als auch in die Photovoltaik integrierte Elektrolyseure. Die direkte Verknüpfung von Photovoltaik und Elektrolyseuren ist nicht neu, aber das Team war der Meinung, dass für die Technik noch Verbesserungsmöglichkeiten bestanden. Calnan erläutert: „Unsere Kolleginnen und Kollegen am Forschungszentrum Jülich entwickelten einzigartige Polymerelektrolytmembran-Stapel (PEM) mit geringerer Verwendung von Platinmetallen bei Katalysatorbeladung und -system. Diesen wird nur von der Kathode her Wasser zugeführt. So verringern wir die Komplexität und die Kosten unserer Lösung im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyseuren.“ In die Photovoltaik integrierte Elektrolyseure wurden dagegen gewählt, um eine bestehende Forschungslücke zu schließen.
Keine Studie hatte je den langfristigen Betrieb im Freien in einer Größe über Labormaßstab demonstriert. Das HZB und die Universität Uppsala schlossen diese Lücke. Dabei verzichteten sie auf die Verwendung von Platinmetallen für Katalysatoren und nutzten bewährte Photovoltaiktechnologien, um die Sonnenenergie aufzufangen. Bezüglich der Photovoltaik entschloss sich das Konsortium für Heteroübergangszellen aus Silizium beziehungsweise CIGS-Zellen (aus dem Werkstoff Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, CIGS). Erstere wurde aufgrund der hohen Umwandlungseffizienz von Sonnenenergie in Strom, einem niedrigen Temperaturkoeffizienten, einer hohen Leerlaufspannung und der intrinsischen bifazialen Fähigkeit gewählt. Schließlich wurden die Überlegungen durch bestehende Pläne für den Bau einer oder mehrerer großer Fertigungsanlagen gerechtfertigt. „CIGS-Zellen wurden ausgewählt, da ihre Bandlücke einfach eingestellt werden kann. Wir können die Spannung der Photovoltaik- und Elektrolysezellen an die lokalen klimatischen Bedingungen am Einsatzort anpassen“, so Calnan weiter.
Testfelder in Deutschland und Italien
Die bedeutendsten Ergebnisse des Projekts sind zweifellos seine Testfelddemonstrationen. In Jülich, Deutschland, installierten Projektpartner eine Solarkollektorenfläche von 8,2 m². Sie besteht aus Heteroübergangsmodulen aus Silizium und CIGS-Modulen in voller Größe, die an separate PEM-Elektrolyseure angeschlossen sind. Die Installation erzeugte innerhalb eines Monats kontinuierlichen Betriebs im Freien bei einer durchschnittlichen Sonnenenergie-zu-Wasserstoff-Effizienz von 10 % durchschnittlich 42,9 g Wasserstoff pro Stunde. Ein zweiter Demonstrationsort vom Italienischen Forschungsrat in Catania, Italien, bestand aus einer 730 cm² großen Auffangfläche. Hier wurden Heteroübergangsmodule aus Silizium in bifazialem Betrieb verwendet. „Bifazialität ist eine innovative Lösung, um den Ertrag der Wasserstofferzeugung zu steigern, ohne dabei die Kosten zu erhöhen. Wir konnten eine Sonnenenergie-zu-Wasserstoff-Effizienz von 13,5 % sowie eine Wasserstofferzeugungsrate von 307 mg/h bei einem Sonnenbestrahlungsniveau von 1 000 W/m2 und einer Umgebungstemperatur von 25 °C demonstrieren. Das entspricht einer Steigerung um 14 % im Vergleich zum monofazialen Betrieb“, erläutern Calnan und ihr Team.
Das Projekt soll im Dezember 2020 abgeschlossen werden. Bis dahin wird das Team die endgültige Montage der integrierten Vorführsysteme abschließen und die Vorteile seiner Lösungen quantifizieren. Auf lange Sicht hoffen die Forschenden, dass das Projekt zu neuen Ideen für den Einsatz kostengünstiger, autonomer Systeme für erneuerbare Energie beitragen wird.
Das Projekt, das zu diesem Antrag führte, wurde vom Gemeinsamen Unternehmen Brennstoffzellen und Wasserstoff 2 im Rahmen der Zuschussvereinbarung Nr. 735218 finanziert. Dieses gemeinsame Unternehmen wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union sowie durch Hydrogen Europe und N.ERGHY" unterstützt.- Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-VerwertungDurch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.
- BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-OszillatorSpin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.
- Neues Verfahren kann MRT-Bildgebung künftig präziser machenEin Team aus Universität Stuttgart und HZB hat ein neues Verfahren entwickelt, das Aufnahmen im MRT künftig noch präziser machen kann. Dazu eliminierten die Forschenden einen entscheidenden Störfaktor im Messverfahren: die sogenannte Totzeit. Dadurch können Signale erfasst werden, die bei herkömmlichen Verfahren verloren gehen. Das Verfahren eröffnet neue Perspektiven für die medizinische Diagnostik und zerstörungsfreie Untersuchungen von Werkstoffen. Der neue Ansatz ist in der Fachzeitschrift Science Advances erschienen.