Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und kanadischen Kollegen ist es gelungen, hocheffiziente Fotoreaktorpaneele zu entwickeln, die in kostengünstigen Modulen verbaut werden können. Die neuartigen Fotoreaktormodule könnten großflächig auf Hausdächern oder in Solarfarmen eingesetzt werden, um Wasserstoff oder Kraftstoffe herzustellen, wie das Forschungsinstitut mitteilt. Bislang war die Technologie vor allem im Labor zu finden, weil die Kosten einer Produktion von solarem Wasserstoff schlicht zu hoch waren.
Die neue Technologie könne den Einsatz fossiler Energieträger überflüssig machen", meint Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT, der die Forschungsarbeiten federführend leitete. Bei der künstlichen Fotosynthese werden chemische Reaktionen mithilfe von Sonnenlicht durchgeführt. Wie beim natürlichen Vorbild werden Photonen dabei von einem fotokatalytisch aktiven Material so absorbiert, dass ihre Energie direkt eine chemische Reaktion antreibt.
"Inzwischen sind unterschiedliche Fotokatalysatoren bekannt", so Kant weiter. "Mit ihnen lässt sich zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, es lassen sich aber auch klimaneutrale Kraftstoffe aus Wasser und Kohlendioxid herstellen."
Reaktorkonzept für den Massenmarkt
Ein effizientes Fotoreaktormodul für die praktische Anwendung müsse im Wesentlichen zwei Komponenten aufweisen: Zum einen muss ein geeigneter Fotokatalysator zur Verfügung stehen, der die eigentliche chemische Reaktion antreibt. Zum anderen muss ein Fotoreaktor vorhanden sein, also ein "Behältnis" für den Fotokatalysator sowie die Ausgangsstoffe der chemischen Reaktion.
"Der Fotoreaktor sollte einfallendes Sonnenlicht idealerweise verlustarm zum Fotokatalysator leiten, egal aus welcher Richtung es einfällt, beziehungsweise egal wo am Himmel die Sonne steht", erklärt Kant. "Wichtig ist außerdem, dass der Fotoreaktor durch seine Struktur und das verwendete Material optimale Betriebsbedingungen für den Fotokatalysator gewährleistet, etwa die richtige Temperatur oder die passende Intensität bei der Absorption von Licht am Fotokatalysator."
Günstiger durch preiswerte Module
Das von den Forschern nun vorgestellte Fotoreaktorkonzept soll genau diese doppelte Herausforderung angehen: Es besteht aus mikrostrukturierten Polymerpaneelen, die für eine hohe Reflektivität mit Aluminium beschichtet werden und ermöglicht sowohl optimale Betriebsbedingungen als auch einen effizienten Transport von Licht zum Fotokatalysator über den gesamten Tagesverlauf. Die Forschenden haben das System mithilfe computergestützter Geometrieoptimierung sowie einem fotokatalytischen Modellsystem entwickelt und konnten es bereits im Labormaßstab demonstrieren.
Auf Grundlage einer allgemeingültigen Richtlinie, die von den Forschenden auf Basis einer detaillierten Analyse ihres Reaktorkonzepts erarbeitet wurden, können zukünftige Fotoreaktormodule nun für unterschiedliche Einsatzzwecke verhältnismäßig einfach auf maximale Effizienz ausgelegt werden. Eine hohe Effizienz bei der chemischen Reaktion ist allerdings nur ein Teil der Herausforderung, um die künstliche Fotosynthese als eine wirtschaftliche Technologie zu etablieren. Für relevante Produktmengen müssen extrem große Flächen mit Fotoreaktorpaneelen bedeckt werden.
22 US-Dollar pro Quadratmeter
"Um die Kosten zu senken verwenden wir kostengünstige Materialien sowie Geometrien, die in etablierten Massenfertigungsverfahren hergestellt werden können", sagt Kant. Nach ersten Berechnungen schätzen die Forschenden den Preis auf ungefähr 22 US-Dollar pro Quadratmeter Fotoreaktormodul.
In weiterführenden Arbeiten unter der Federführung von Anselm Dreher wird in den nächsten Schritten nun am IMVT in Karlsruhe und in der Arbeitsgruppe um Professor Geoffrey Ozin in Toronto ein geeigneter Fotokatalysator entwickelt, der effizient Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Der Fotokatalysator wird anschließend in die vorgestellten Fotoreaktoren integriert. Ferner umfassen aktuelle Arbeiten Untersuchungen zur Massenproduktion der vorgestellten Paneele. (jk)
