»H2Demo« – grüner Wasserstoff aus direkter solarer Wasserspaltung

19. März 2021

Wasserstoff als chemischer und damit speicherbarer Energieträger ist eine wesentliche Komponente in einem nachhaltigen Energiesystem ohne fossile Treibstoffe. Wasserstofftechnologien sind Bindeglied zwischen Energie- und Mobilitätswende, sie sind ein wichtiger Faktor im intelligenten Energiemanagement, und sie nehmen eine Schlüsselposition bei der Transformation der Industrie hin zu einer nachhaltigen Wertschöpfung ein. Die große Herausforderung besteht in der nachhaltigen und damit umweltverträglichen Herstellung großer Mengen von Wasserstoff. Hierbei spielt der Einsatz von Solarenergie eine zentrale Rolle. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt »H2Demo«, unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, arbeiten elf Partner an Demonstratoren für die direkte solare Wasserspaltung.

H2Demo: Illustration der direkten Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe der vom Sonnenlicht bereitgestellten Energie
© Dr. Fatwa F. Abdi, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
Illustration der direkten Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe der vom Sonnenlicht bereitgestellten Energie.
H2Demo: Aufbau eines Prototypen zur solaren Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse von Wasser
© Fraunhofer ISE
Aufbau eines Prototypen zur solaren Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse von Wasser.

Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser aufgespalten in Wasserstoff und Sauerstoff, ein Vorgang, für den elektrische Energie benötigt wird. Für die Produktion von grünem Wasserstoff kommt erneuerbare Energie zum Einsatz. Bislang geschieht dies, indem Solar- oder Windstrom einen Wasser-Elektrolyseur antreibt. Einen Schritt weiter geht das Verfahren zur direkten solaren Wasserstofferzeugung über photoelektrochemische Prozesse. Darunter versteht man die Absorption des Sonnenlichts in einem Halbleitermaterial, welches selbst eine ausreichend große Photospannung (> 1.6 Volt) generiert, um Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Es eignen sich insbesondere Tandem-Absorber, bei denen zwei absorbierende Materialien elektrisch seriell verschaltet werden, analog zu Tandem-Solarzellen, die in der höchsteffizienten Photovoltaik bereits eingesetzt werden. In kleinem Format wurde dieses Wasserstoffproduktionsverfahren bereits gezeigt. Ziel des Forschungsprojekts H2-Demo ist es, erstmals größere Demonstratoren herzustellen.

»Zu den Arbeitspaketen in H2-Demo zählt die Optimierung der III-V Tandem-Absorber, die auf Silicium abgeschieden werden und deren Eigenschaften weiter verbessert und auf die spezifische Anwendung hin optimiert werden müssen«, sagt Projektkoordinator Dr. Frank Dimroth, Abteilungsleiter III-V Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE. »Zudem werden Prozesse und Anlagen für einen späteren industriellen Einsatz skaliert und neue Prozesse mit hohem Durchsatz entwickelt«, ergänzt er. Schließlich soll ein Demonstrator mit einer Fläche von 36x36 cm2 gebaut und auf einem Testfeld installiert, um die solare Wasserstoffeffizienz – H2-Erzeugung und Moduleffizienz – im Detail zu messen.

»H2Demo« Projektpartner sind neben dem federführenden Fraunhofer ISE die folgenden Firmen und Forschungseinrichtungen: AZUR SPACE, Helmholtz Zentrum Berlin, HQ Dielectrics, LayTec AG, Philipps Universität Marburg, Plasmetrex GmbH, SEMPA, Technische Universität Ilmenau, Technische Universität München sowie Universität Ulm.

Das »H2Demo« Projekt wird mit 14 Millionen Euro über einen Zeitraum von fünf Jahren gefördert und ist einer von mehreren Gewinnern des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ausgelobten Ideenwettbewerbs »Wasserstoffrepublik Deutschland« im Bereich Grundlagenforschung. Die Projekte ergänzen die drei industriegeführten Wasserstoff-Leitprojekte, die ebenfalls noch im Frühjahr starten sollen.