Weiterentwicklung der Photokatalysezelle und Nutzung von Solarthermie
Projektdurchführung
The Yellow-SiC Development GmbH
Technologiepark Adlershof
Schwarzschildstr. 1
12489 Berlin
Zielsetzung
Um die Energiewende erfolgreich zu gestalten und zügig voranzubringen, sind große Anstrengungen notwendig. Es sind insbesondere Lösungen gefragt, die ausgesprochen ökonomisch sind. Der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien gehört die Zukunft. Jedoch gibt es nach wie vor eine Reihe von Bereichen, die aktuell noch von fossilen Energieträgern abhängig sind, wie beispielsweise die Eisen- und Stahlerzeugung oder auch Teile des Verkehrssektors wie Schiffs-, LKW- und Flugverkehr. In all diesen Bereichen stellt grüner Wasserstoff eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen dar.
Die Herstellung von grünem Wasserstoff ist aktuell noch sehr kostenintensiv und kann wirtschaftlich mit fossilen Brennstoffen nicht konkurrieren. Derzeit werden weltweit nur rund 1 % des Wasserstoffs mittels Elektrolyse hergestellt (inkl. aus erneuerbaren Energien). Im Vergleich dazu liegt der Anteil des aus Erdgas reformierten Wasserstoffs bei 41 %, gefolgt vom durch Schweröl gewonnenen Wasserstoff mit 21 %.
Es ist daher dringend notwendig, elektrolytische Herstellungsverfahren für Wasserstoff und insbesondere grünen Wasserstoff wirtschaftlicher zu machen, entweder durch Effizienzsteigerung, durch Senkung der Herstellungskosten oder im besten Fall durch beides.
Das von der Antragstellerin entwickelte neue Verfahren für die Herstellung von kubischem Siliciumcarbid (3C-SiC) bildet die Grundlage für die aktuellen Forschungsarbeiten. In einem von der DBU geförderten Erstprojekt wurden 3C-SiC beschichtete Elektroden für die Wasserstoffelektrolyse entwickelt. Diese 3C-SiC-Elektroden sind leistungsfähiger, langlebiger und günstiger in der Herstellung als bisher am Markt verfügbare Produkte. Ebenfalls Gegenstand des Vorhabens war die Entwicklung einer ersten Photokatalysezelle für die 3C-SIC Wasserstoff-Photokatalyse. Die Ergebnisse jenes Vorhabens bilden die Grundlage für dieses Projekt. Wesentlicher Bestandteil des neuen Vorhabens ist die Steigerung der Effizienz des Systems. Zum einen soll dies durch die Entwicklung einer 3C-SiC-beschichteten Doppelelektrode erfolgen und zum anderen durch die Nutzung des IR-Bereichs zur Gewinnung von Solarthermie. Schließlich soll ein erster Prototyp des Systems entwickelt werden, der unter Realbedingungen getestet werden soll.
Arbeitsschritte
Die Umsetzung des Lösungskonzepts erfolgt in insgesamt drei Arbeitspaketen.
Mit den aus dem Vorprojekt gewonnenen Materialerkenntnissen soll zunächst zur Maximierung des Wirkungsgrades eine Doppelelektrode für den Einsatz in der Photokatalysezelle entwickelt werden. Schwerpunkt der Entwicklung ist die Herstellung des p-n-Übergangs mittels entsprechender Dotierung.
In einem weiteren Schritt wird in AP 2 die Nutzung des IR-Bereichs in die Entwicklung einbezogen. Der Schwerpunkt liegt hier bei einer zusätzlichen Dotierung mit Bor die mit einem zweistufigen Prozess erlaubt auch niederenergetische Infrarotstrahlung zu nutzen. Das Design der Photokatalysezelle wird entsprechend angepasst.
In der Laboranlage werden Lösungsmöglichkeiten überprüft, den infraroten Sonnenlichtanteil auch für Solarthermie zu nutzen. Nach positiven Ergebnissen mit der Laboranlage soll ein Prototyp entwickelt und gebaut werden. Im Prototyp sollen die erzielten Testergebnisse unter Realbedingungen und in einem größeren Maßstab validiert werden und die Komponenten ggf. weiter optimiert werden. Ferner steht die Erforschung der Materialien und des Zellkonzepts in Bezug auf Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit im Vordergrund.
Ergebnisse
3C-SiC-Elektroden konnten für die Elektrolyse und die Photokatalyse optimiert werden. Auch die Elektrodenproduktion wurde optimiert und skaliert, um für die zu erstellenden Prototypen großflächige Elektroden zur Verfügung zu stellen. Mit den Erfahrungen aus den Laboranlagen (inzwischen wurden mehrere aufgebaut) und den dafür weiterentwickelten Photokatalysezellen konnten die ursprünglichen Ideen für den Prototypen angepasst werden. Dies betrifft auch den Part der Solarthermienutzung.
Die Ausgangsidee, einen zusätzlichen Solarthermiekreis durch die Elektroden zur Thermostatisierung zu leiten hat sich in der Praxis als zu aufwändig und kostspielig erwiesen. In den Laboranlagen wurde der Elektrolyt über einen externen Wärmetauscher thermostatisiert. Im Fall des Prototyps hat sich dies ebenfalls als die bessere Lösung herausgestellt. Dieser Wärmetauscher kann auch in einen Wasserspeicher integriert sein.
Der Prototyp zur Photokatalyse mit 3C-SiC wurde mit Messsensoren versehen, um weiterhin Optimierungen vornehmen zu können. Diese sind gegenwärtig noch nicht so weit fortgeschritten, dass hierüber ausführlich berichtet werden kann.
Fazit
3C-SiC-Elektroden als Anode und Kathode mit p- bzw. n-Leitung zur Wasserspaltung durch Sonnenlicht wurden durch systematische Untersuchungen, z. T. mit Grundlagencharakter, entwickelt und optimiert.
Hierzu wurden auch die Herstellungsprozesse entwickelt, die für eine Skalierung notwendig sind. Im Labormaßstab wurden modulare Anlagen mit verschiedenen Elektrolyse- und Photokatalysezellen aufgebaut, um Informationen für die Konstruktion eines Prototyps zu gewinnen. Der Prototyp steht noch am Anfang seiner Entwicklung.