Modularer Photoreaktor: Grüner Wasserstoff vom eigenen Dach

Die Photosynthese ist ein faszinierender Prozess. Durch sie produzieren Pflanzen energiereiche Verbindungen und brauchen dafür lediglich CO2, Wasser und Licht. Dies wird durch spezielle Enzyme ermöglich – Photokatalysatoren, die die nötigen Reaktionen anstoßen. Die sogenannten Solar-to-X-Verfahren ahmen dieses Prinzip nach und produzieren dabei Wasserstoff, Synthesegas oder E-Fuels. Ein neuartiger Photoreaktor soll dies nun auch auf Hausdächern ermöglichen. Das System ist relativ kostengünstig und lässt sich an unterschiedliche Solar-to-X-Verfahren anpassen.

Photoreaktoren ahmen die Photosynthese nach

Solare Wasserstoff- und Kraftstofffabriken gibt es bisher nur im Labor oder als Pilotanlagen. Um in größeren Maßstäben eingesetzt zu werden, sind die dahinterstehenden Verfahren oft nicht effizient genug. Ein anderes Problem ist der Preis der benötigten Materialien und Bauteile. Dies könnte sich nun allerdings ändern. Einem Team rund um Paul Kant vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelang es, einen modularen Photoreaktor zu entwickeln, der so günstig und effizient ist, dass er etwa auf Gebäudedächern eingesetzt werden kann. Dies wir durch eine spezielle Bauweise des Photoreaktor-Paneels erreicht. Die Paneele konzentriere das Sonnenlicht in kleinen Rinnen und leiten es verlustarm in die röhrenförmige Reaktionskammer.

„Der Photoreaktor sollte einfallendes Sonnenlicht idealerweise verlustarm zum Photokatalysator leiten, egal aus welcher Richtung es einfällt, beziehungsweise egal wo am Himmel die Sonne steht. Wichtig ist außerdem, dass der Photoreaktor durch seine Struktur und das verwendete Material optimale Betriebsbedingungen für den Photokatalysator gewährleistet, etwa die richtige Temperatur oder die passende Intensität bei der Absorption von Licht„, so Kant.

Neuer Photoreaktor

Diese Voraussetzungen konnten nun mit dem neuen Photoreaktor zu erfüllen. Die Paneele des Reaktors bestehen aus zahlreichen, parallel zueinander laufenden Reaktionskanälen. „Im Querschnitt besteht ein solcher Kanal aus einem V-förmigen Konzentrator, der Licht aus verschiedenen Einfallsrichtungen einfängt und in eine röhrenförmige, verspiegelte Kammer leitet„, schreiben die Wissenschaftler:innen. In dieser Reaktionskammer befindet sich ein Photokatalysator, der das hindurchfließende Wasser in Wasser- und Sauerstoff aufspaltet.

Der Photoreaktor hat den Vorteil, dass er leicht an verschiedene Solar-to-X-Verfahren angepasst werden kann. Hierfür müssen lediglich der Phtokatalysator getauscht und ein paar weitere Verarbeitungsschritte ergänzt werden. Dann kann der Reaktor je nach Bedarf Wasserstoff, Synthesegas oder auch synthetische Kraftstoffe erzeugen. „Unser Konzept und Grunddesign ist auf jedes flüssige, gasförmige oder heterogene multiphasische photokatalytische System anwendbar„, so die Forscher:innen.

Erfolgreiche Tests

Das Team testete den solaren Reaktor mit dem etablierten und kommerziell erhältlichen Photokatalysator Kalium-Trioxalatoferrat(III). Dabei stellte sich heraus, dass das System für die Reduktion von Eisen(III) zu Eisen (II) eine Effizienz von 5,8 Prozent erreichte. „Das mag auf den ersten Blick wenig beeindruckend erscheinen, für dieses Material entspricht dies aber 62 Prozent des theoretisch erreichbaren Maximalwerts„, so die Forscher:innen.

Damit hat das neu entwickelte Photoreaktor-Paneel eine vier mal höhere photokatalytische Effizienz als ein gewöhnlicher Photoreaktor aus Glaskapillaren. Verantwortlich hierfür ist die Bauweise der Reaktorrinnen, die auch das Streulicht in die Reaktorkammer lenken. Diese wird zudem komplett von Licht durchflutet.

Bereit für die Massenfertigung?

Zudem gelang es den Forscherinnen, den Photoreaktor günstig umzusetzen. „Um die Kosten zu senken, verwenden wir kostengünstige Materialien sowie Geometrien, die in etablierten Massenfertigungsverfahren hergestellt werden können„, so Kant. Die Grundstruktur der Paneele bestehen aus den Kunststoffen Polycarbonat und Polyethylen, die nicht nur günstig sind, sondern auch in industrieller Fertigung einfach verarbeitet werden können. Die Reflekterschicht wiederum besteht aus aufgesprühtem Aluminium.

„ Die Materialkosten für diese Komponenten liegen bei nur rund 9,40 US-Doller pro Quadratmeter„, erklären die Forscher:innen. Gemeinsam mit der Fertigung und den Katalysator ergeben sich so Kosten von etwa 22 US-Dollar pro Quadratmeter. „Damit stellt dieser Ansatz ein kostengünstiges Design für einen Photoreaktor dar„, so die Forscher:innen. Derzeit arbeitet das Team daran, den Reaktor zu optimieren, sodass er für die Massenproduktion bereit ist.

Die Wissenschaftler:innen gehen davon aus, dass dieser Photoreaktor eine neue Möglichkeit schaffe, solaren Wasserstoff oder solare Kraftstoffe auch dezentral herzustellen. Die Paneele seien sowohl für große Solarfarmen als auch für die dezentrale Anlage auf dem eigenen Hausdach geeignet.

via KIT