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.- Poröse organische Struktur verbessert Lithium-Schwefel-BatterienEin neu entwickeltes Material kann die Kapazität und Stabilität von Lithium-Schwefel-Batterien deutlich verbessern. Es basiert auf Polymeren, die ein Gerüst mit offenen Poren bilden. In der Fachsprache werden sie radikale kationische kovalente organische Gerüste oder COFs genannt. In den Poren finden katalytisch beschleunigte Reaktionen statt, die Polysulfide einfangen, die ansonsten die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden. Einige der experimentellen Analysen wurden an der BAMline an BESSY II durchgeführt. Prof. Yan Lu, HZB, und Prof. Arne Thomas, Technische Universität Berlin, haben diese Arbeit gemeinsam vorangetrieben.
- Wie sich Nanokatalysatoren während der Katalyse verändernMit der Kombination aus Spektromikroskopie an BESSY II und mikroskopischen Analysen am NanoLab von DESY gelang es einem Team, neue Einblicke in das chemische Verhalten von Nanokatalysatoren während der Katalyse zu gewinnen. Die Nanopartikel bestanden aus einem Platin-Kern mit einer Rhodium-Schale. Diese Konfiguration ermöglicht es, strukturelle Änderungen beispielsweise in Rhodium-Platin-Katalysatoren für die Emissionskontrolle besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Rhodium in der Schale unter typischen katalytischen Bedingungen teilweise ins Innere der Nanopartikel diffundieren kann. Dabei verbleibt jedoch der größte Teil an der Oberfläche und oxidiert. Dieser Prozess ist stark von der Oberflächenorientierung der Nanopartikelfacetten abhängig.
- Metalloxide: Wie Lichtpulse Elektronen in Bewegung setzenMetalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der starken Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team am HZB hat nun zusammen mit Partnerinstitutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch sinkt die Energie, die für die Elektronenbeweglichkeit erforderlich ist, so dass ein metallähnliches Verhalten entsteht. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, Materialeigenschaften mit Licht zu manipulieren, und birgt ein hohes Potenzial für effizientere lichtbasierte Bauelemente.