Solarer Wasserstoff

Das Innovationspool-Projekt "Solarer Wasserstoff: hochrein und komprimiert" zielt darauf ab, sowohl den wissenschaftlichen Kenntnisstand als auch die technologische Reife verschiedener lebensfähiger Technologien für die Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff (H₂) zu verbessern. Zur Halbzeit des Projekts wurde eine Übersichtsarbeit in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlicht, die sich mit den technologischen Wegen zur Herstellung von komprimiertem und hochreinem Wasserstoff aus Sonnenenergie befasst. Ziel dieser umfangreichen Arbeit, an der mehrere Helmholtz-Zentren beteiligt waren, war es, eine klare Aussage über den Status quo der technologisch erreichbaren H₂-Reinheit und Druckstufen zu treffen. Auf diese Weise können zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten identifiziert und potenziell verfolgt werden.

Die Energiewende ist eines der wichtigsten Zukunftsprojekte unserer Zeit, bei dem die Erzeugung und Nutzung erneuerbarer und nachhaltiger Energie eine wichtige Triebkraft für eine dekarbonisierte Wirtschaft ist. In diesem Zusammenhang spielt Wasserstoff - und insbesondere der so genannte "grüne" Wasserstoff aus erneuerbaren Energien - eine entscheidende Rolle als "game changer" im gesamten Energiesystem und als wichtiger Faktor der gesellschaftlichen Transformation. Der Anteil des grünen Wasserstoffs ist jedoch noch zu gering, um das Netto-Null-Ziel zu erreichen, während die Nachfrage nach hochwertigem Wasserstoff weiter steigt. Diese Faktoren verstärken den Bedarf an wirtschaftlich tragfähigen Technologien zur Wasserstofferzeugung.

Schematische Darstellung der photoelektrochemischen Wasserspaltung

Die Sonne als eine der stärksten natürlichen Energiequellen liefert kostenlose und reichlich vorhandene Energie, die eingefangen und auf verschiedenen technologischen Wegen in Wasserstoff (auch Solarer Wasserstoff genannt) umgewandelt werden kann. Um seinen höchstmöglichen Wert als Kraftstoff für die Stromerzeugung und den Mobilitätssektor sowie als Rohstoff mit breiter industrieller Anwendung zu erreichen, muss Wasserstoff strenge Kriterien in Bezug auf seine Reinheit und seinen Druck erfüllen. Die im Rahmen des Innovationspool-Projekts verfolgten Technologien, die Gegenstand des kürzlich veröffentlichten Übersichtsartikels sind, ermöglichen die Herstellung von Solarwasserstoff mit höchster Reinheit und Drücken, die in einigen Fällen weit über dem Atmosphärendruck liegen.

In der Übersicht werden fünf wichtige technologische Wege zur Erzeugung von grünem Wasserstoff betrachtet: Nieder- und Hochtemperatur-Wasserelektrolyse, photoelektrochemische und thermochemische Wasserspaltung sowie die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen (z. B. Biomethan) in Flüssigmetall- und Plasmareaktoren. Sie alle werden mit Sonnenenergie in Form von Photonen, Elektrizität oder Wärme betrieben und werden im Hinblick auf ihren derzeitigen Entwicklungsstand, ihre technischen Beschränkungen und ihr künftiges Potenzial bezüglich der Qualität des erzeugten Wasserstoffs übersichtlich gemacht. Diese Technologien unterscheiden sich in ihrem Reifegrad (Technology Readiness Level, TRL von 2 bis 9) und können Wasserstoff mit einer Reinheit von ≥99,97 und einem Druck von >500 bar liefern. Die Kopplung mit elektrochemischen Kompressoren kann darüber hinaus ein notwendiges downstream Element sein, um den Wasserstoffausgangsdruck noch weiter zu erhöhen, derzeit auf etwa 1300 bar. Neben der technologischen Perspektive werden auch numerische Simulationen auf verschiedenen Skalen als übergreifender Ansatz betrachtet und liefern Erkenntnisse für die Entwicklung und Optimierung von Materialien, Komponenten, Reaktoren und Systemen.

Reinheit und Druckbereiche, die mit verschiedenen solarbetriebenen Technologien erreicht werden. Markiert mit (*): Reinheit nach Reinigung.

Obwohl nur wenige der solar angetriebenen Technologiepfade bisher eine ausreichende Reife erreicht haben und einige von ihnen noch ein breites Spielfeld für Innovation und Grundlagenforschung aufweisen, weisen sie alle ein erhebliches Potenzial zur Erreichung der Wasserstoffqualitätsziele auf. Um das Ziel niedrige Gestehungskosten für die Wasserstofferzeugung zu erreichen, müssen die damit verbundenen Kapital- und Betriebskosten der eingesetzten technologischen Lösungen durch erhöhte Skalierbarkeit, Effizienz und Langlebigkeit der Geräte und Anlagen gesenkt werden. Letztlich sind regenerativ betriebene Technologien zur Erzeugung von Wasserstoff mit höherer Qualität bereits eine überzeugende Alternative zu bestehenden Lösungen. Die Verringerung der Systemkomplexität und die Erhöhung der installierten Kapazitäten werden in besonderer Weise zu einem wirksamen Klimaschutz, zur Energieversorgungssicherheit und zur wirtschaftlichen Effizienz beitragen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Solarenergie in Verbindung mit verschiedenen Technologien, die im Rahmen des Innovationspool-Projekts "Solarer Wasserstoff: hochrein und komprimiert" verfolgt werden, den Kern einer technologischen Plattform für die Erzeugung von hochwertigem "gebrauchsfertigem" Wasserstoff bildet. Das Übersichtspapier geht in diesem Zusammenhang klar auf die technischen Herausforderungen ein, zeigt aber auch die Bedeutung einer beschleunigten Entwicklung auf, um solche vielversprechenden technologischen Pfade über den aktuellen Stand der Technik hinaus voranzubringen, um den höchstmöglichen Wert für ein nachhaltiges Energiesystem in Deutschland und weltweit zu erreichen.

Ivanova, M., Peters, R., Müller, M., Haas, S., Seidler, M. F., Mutschke, G., Eckert, K., Röse, P., Calnan, S., Bagacki, R., Schlatmann, R., Grosselindemann, C., Schäfer, L.-A., Menzler, N. H., Weber, A., van de Krol, R., Liang, F., Abdi, F. F., Brendelberger, S., Neumann, N., Grobbel, J., Roeb, M., Sattler, C., Duran, I., Dietrich, B., Hofberger, C., Stoppel, L., Uhlenbruck, N., Wetzel, T., Rauner, D., Hecimovic, A., Fantz, U., Kulyk, N., Harting, J., Guillon, O., (2023): Technological Pathways to Produce Compressed and Highly Pure Hydrogen from Solar Power, Angewandte Chemie International Edition published by Wiley-VCH GmbH. https://doi.org/10.1002/anie.202218850