Solargetriebene Wasserstofferzeugung Aus der Kälte in den Tank: H2-Produktion in der Antarktis?

Autor / Redakteur: Dr. Antonia Rötger* / Christian Lüttmann

Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser eignet sich als klimaneutraler Energieträger – vorausgesetzt der Strom zu dessen Gewinnung stammt aus erneuerbaren Quellen. Ein Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Berlin hat nun untersucht, wie sich auch an extrem kalten Orten wie der Antarktis besonders effizient Photovoltaik mit Elektrolyse-Modulen koppeln lassen.

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Experiment im Eisschrank: Durch ein Fenster wird Licht eingestrahlt und erzeugt über Solarzellen die Spannung für die Elektrolyse von Wasser.
Experiment im Eisschrank: Durch ein Fenster wird Licht eingestrahlt und erzeugt über Solarzellen die Spannung für die Elektrolyse von Wasser.
(Bild: M. Kölbach/HZB)

Berlin – In der Antarktis ist es nicht nur sehr kalt, sondern auch ungewöhnlich lange hell – jedenfalls im Sommer, wenn die Sonne für bis zu 24 Stunden am Stück scheint „Diese Sonneneinstrahlung könnte eigentlich genutzt werden, um die Forschungsinfrastruktur mit Energie zu versorgen“, sagt die Umweltphysikerin Kira Rehfeld von der Universität Heidelberg, die für ihre Arbeit selbst einige Zeit am Südpol unterwegs war. Bisher aber werden Generatoren, Motoren und Heizungen in diesen entlegenen Regionen meistens mit klimaschädlichen fossilen Brennstoffen wie Erdöl oder Benzin betrieben, die extra mit dem Schiff geliefert werden. Neben den damit verbundenen hohen Kosten sind auch Verschmutzungen durch kleinste Leckagen ein Problem, die das empfindliche Ökosystem bedrohen.

Wasserspaltung bei Minusgraden

Doch fossile Brennstoffe könnten sich durch Wasserstoff ersetzen lassen, der sich zudem gut bei tiefen Temperaturen speichern lässt. „Unsere Idee war daher, mithilfe von Solarmodulen vor Ort während des antarktischen Sommers klimaneutralen Wasserstoff zu produzieren, indem man Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet“, sagt Matthias May, damals Postdoc am Institut für Solare Brennstoffe des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB).

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Rehfeld und May untersuchten deshalb, wie sich auch bei Minustemperaturen mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen lässt und welche Methode dafür am besten geeignet ist. Denn die Kälte erhöht zwar die Effizienz der meisten Solarmodule, kann aber die Effizienz der Elektrolyse deutlich verringern.

Thermisch gekoppelte Zelle für mehr Effizienz

May und sein HZB-Kollege Moritz Kölbach haben nun zwei unterschiedliche Ansätze experimentell miteinander verglichen: Einen konventionellen Aufbau, in dem das Photovoltaik-Modul (PV-Modul) vom Elektrolyse-Behältnis getrennt ist, und einen neueren, thermisch gekoppeltem Aufbau, in welchem das PV-Modul in engem Kontakt mit der Wand des Elektrolysebehälters steht, sodass ein Wärmeaustausch stattfindet. Um die antarktischen Bedingungen im Berliner Labor zu simulieren, besorgte Kölbach einen Gefrierschrank, schnitt ein Fenster in die Tür, das er mit Quarzglas verschloss und bestrahlte das Schrankinnere mit einem Sonnensimulator (s. Abbildung). Den Elektrolyse-Behälter füllte er mit 30-prozentiger Schwefelsäure (auch als Batteriesäure bekannt), deren Gefrierpunkt um die -35 °C liegt und die Strom gut leitet.

Dann baute Kölbach die beiden Versuchszellen auf und führte die Messreihen durch. Im Betrieb zeigte sich, dass die Zelle mit den thermisch gekoppelten PV-Modulen mehr Wasserstoff produzierte, da die bestrahlten PV-Module ihre Abwärme direkt an den Elektrolyseur weitergeben. „Wir konnten die Effizienz sogar noch steigern, indem wir eine zusätzliche thermische Isolierung des Elektrolyseurs einbauten. Dadurch stieg die Elektrolyttemperatur unter Belichtung von -20 auf bis zu 13,5 °C“, erklärt der Forscher.

Wasserstoff von den Hochalpen bis zum Himalaya

Die Ergebnisse dieser Studie bekräftigen, dass thermische gekoppelte Systeme eine potenziell höhere Effizienz besitzen als thermisch entkoppelte. Ob diese Vorteile wirtschaftlich genutzt werden können, muss sich noch zeigen. Daher wollen die Forscher als nächstes Prototypen unter realistischen Bedingungen testen, wofür sie gerade nach Partnern suchen.

Vor Ort erzeugter solarer Wasserstoff könnte nicht nur am Südpol eine Option sein, um fossile Brennstoffe zu ersetzen. Auch in anderen, extrem kalten und dünn besiedelten Weltregionen könnte er helfen, die mit fossilen Energieträgern verbundenen Gefahren für die Umwelt und den CO2-Austoß zu eliminieren. In Frage kommen die Hochalpen, Kanada und Alaska, die Anden sowie die Gebirgsregionen im Himalaya.

Originalpublikation: Moritz Kölbach, Kira Rehfeld and Matthias M. May : Efficiency gains for thermally coupled solar hydrogen production in extreme cold , Energy & Environmental Science (2021); DOI: 10.1039/D1EE00650A

* Dr. A. Rötger, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, 14109 Berlin

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