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Wasser mit Sonnenlicht spalten – eine Zukunftsvision

HIFA Consult H2-Technology, München

Dipl.-Ing. (FH) Bettina Hirdina-Falk

20. März 2015EineWeltHaus, München

28.02.2014 HIFA Consult München Seite 2

Wasser mit Sonnenlicht spalten – eine Zukunftsvision

• Fossile Energieträger gehen zur Neige – was tun?

• Direkte Nutzung von Sonnenenergie: Fotovoltaik, Windstrom

• Problematik Stromspeicherung

• Nutzung der Sonnenenergie durch Pflanzen: Fotosynthese

• Von der natürlichen zu künstlichen Fotosynthese

• Lichtantennen – Nanotechnologie

• Fotokatalytische Wasserstoffgewinnung und „Sonnengas“

• Synthese von Treibstoffen aus „Sonnengas“

• Fazit und Ausblick

Die fossilen Energieträger

Die Menschheit bezieht ihre Energie im Wesentlichen durch Verbrennen von fossilen Energieträgern wie

– Erdgas

– Erdöl

– Steinkohle

– Braunkohle

– Torf

Sie dienen der Erzeugung von Wärme und Strom, treiben

Motoren an und werden zu Kunststoffen verarbeitet.

Die Vorräte an fossilen Energieträgern sind begrenzt.



Fossile Energieträger = gespeicherte Sonnenenergie

• Die Sonne: Energie durch Kernfusionund Strahlung

• Pflanzen nutzen die Sonnenenergieund betreiben damit Fotosynthese

• Abgestorbene Pflanzen haben Sonnenenergie seit etwa 3 Mrd.Jahren gespeichert

• Gespeicherte Sonnenenergiein Form fossiler Energieträger wievon Erdöl, Erdgas und Kohle wird seit etwa 200 Jahren systematisch geplündert.

Quelle: WEG Wirtschaftsverband Erdöl- und Erdgasgewinnung e.V.


Die Situation der fossilen Energieträger

Die fossilen Energiespeicher gehen unweigerlich zu Ende.

Die Menschheit wird innerhalb von etwa 100 Jahren –

oder mehr? - die gesamten Vorräte aufgebraucht

haben.

Was tun?


Die Lösung: Direkte Nutzung der Sonnenenergie

Denn: In 1 Stunde trifft mit dem Sonnenlicht mehr Energie

auf die Oberfläche der Erde als wir Menschen in 1 Jahr

verbrauchen.

Die direkte Nutzung der Sonnenenergie wird in

Zukunft der einzig gangbare Weg sein, um den

Energiebedarf der Menschheit zu decken, und ist

bereits jetzt ein wesentliches Element bei der

Umsetzung der Energiewende.


Sonnenenergie zu Strom und Wärme

Solarthermie – Wärmegewinnung und Stromerzeugung (Almeria, Marokko, Ivanpah in USA)

Quelle: Kuntschar Energieerzeugung GmbH

Fotovoltaik (Solardächer, Fotovoltaikfabriken)

Windenergie


Problem Stromspeicherung

Problematik: Strom lässt sich schlecht speichern

Eine mögliche Lösung: Power-to-Gas

Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von überschüssigem Wind- und Solarstrom: Wasserstoff und Sauerstoff

Weiterverarbeitung von Wasserstoff H2 zu Methangas CH4

Auch SNG Synthetic Natural Gas genannt(Audi in Werlte, E.ON in Falkenhagen)

„Die rechnerische Speicherreichweite des Erdgasnetzes liegt bei 2000 Stunden, die des Stromnetzes bei 0,6 Stunden“ (Stefan Rieke,

Etogas GmbH)

So funktioniert Power to Gas

• Elektrolyse von Wasser:

2 H2O 2 H2 + O2Wasserstoff Sauerstoff

Wirkungsgrad ca. 60%

• Sabatier-Prozess Wasserstoff zu Methan:

4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O

Wirkungsgrad über 95% (Ergebnis Projekt iC4)


Kohlendioxid Methan

Katalysator

Quelle: Heliocentris Energy Solutions AG

Wenn zu viel Sonnen- oder Windstromerzeugt wird:


Schema für „Power-to-Gas“

H2O alkalischeElektrolyse

Strom-erzeugung

Wärme-Erzeugung

IndustrielleNutzung

Erdgas-Netz

Methanisierung

BiogasCCS

CO2

H2

CH4Gas-

SpeicherH2

Mobilität

Fotovoltaik

Windstrom

H2


Elegant: Wasser direkt mit Sonnenlicht spalten

• Sonnenenergie wird von Pflanzen in chemische Energie umgewandelt

• 1. Stufe der Fotosynthese: Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt:

2 H2O 2 H2 + O2

• 2. Stufe der Fotosynthese: aus Wasserstoff und Kohlendioxid entsteht ein Kohlenwasserstoff:

6 CO2 + 6 H2 C6H12O6 (Zucker,Holz….)

• Komplizierte Vorgänge, Wirkungsgrad knapp 1%

Nutzung von Sonnenenergie durch Nachahmung und Optimierung

„Künstliche Fotosynthese“ (Fotokatalytische Wasserspaltung)

Aus energetischen Gründen bietet sich die 1. Stufe - die Wasserspaltung

zur Gewinnung von Wasserstoff - für die „Künstliche Fotosynthese“ an


Der Weg von der natürlichen zur künstlichen Fotosynthese

Kohlendioxid (CO2)

Wasser (H2O)

Sauerstoff (O2)

Biomasse, Zucker

Wasserstoff (Treibstoff)

Mit Genehmigung von Dr. Thomas Nann


Das Z-Schema der natürlichen Fotosynthese

Enzym catalysiert

Pigment

Enzym catalysiert


Elektronen-Energie-Transfer „Downhill“


Nachahmung des Z-Schemas

Wasserstoff

Sauerstoff

Pigment 1

Pigment 2

Catalysator 1

Catalysator 2

Oxidation

Reduktion

Darstellung Dr. Thomas Nann


Komponenten für künstliche Fotosynthese

Wasserstoff

Catalysts

Nanomaterialien

Nanopartikel H2


Herstellung von Lichtantennen mittels Nanotechologie

Benötigt werden

• Trägermaterial: Template (Schablone)

• Lichtaktive Nanomaterialien:

Quantenpunkte, fluoreszieren bei im Licht

• Katalysator:

erniedrigt die „Hemmschwelle“ für die Lichtreaktion

Anorganische Katalysatoren gegenüber den organischen Katalysatoren

stabiler und weitgehend unempfindlich gegen Zerstörung durch Sauerstoff

und Licht


Quantenpunkte


Methode zur Herstellung von Lichtantennen

Bottom-Up-Methode: nutzt die physikalisch – chemischen Grundsätze der

molekularen bzw. atomaren Selbstorganisation

Template:

• Spezielle Geräte: fotolithografischen Methoden (Laser)

• z.B. Silizium-Scheiben mit einem ganz feinen Muster

geätzt.

• Nanomaßstab, nahezu im atomaren Bereich

Halbleiteratome (Quantenpunkte):

als selbstorganisierende Epitaxieschichten (Kristalle)

wachsen auf der Schablone weitgehend defektfrei auf

Epitaxie Quelle: Wikipedia

Anorganische Katalysatormoleküle:

lagern sich selbstorganisierend auf den Halbleiter-

Atomen an

Lichtantenne

Lichtantennen als Anode und Kathode


Bei Bestrahlung mit Licht werden aus den Halbleiteratomen Elektronen freigesetzt und bei einer Spannung von über 1,5 Volt findet die fotokatalytische Wasserspaltung statt:

• Kathode (negativer Pol, p-Halbleiter) als Lichtantenne zur Reduzierung von Wasser zu Wasserstoff:

2 H2O + 2e- H2 + 2 OH-

• Anode (positiver Pol, n-Halbleiter) als Lichtantenne zur Oxidation von Wasser zu Sauerstoff:

4 OH- O2 + 2 H2O + 4 e-


Realisierung fotokatalytischer H2-Gewinnung

• Kathode und Anode werden durch eine elektronendurchlässige Membran getrennt

– An der Kathode entsteht Wasserstoff-Gas

– An der Anode entsteht Sauerstoff-Gas

• Aufbau vergleichbar einem Elektrolyseur mit dem Unterschied, dass die erforderliche Energie direkt von der Sonne geliefert wird und nicht erzeugt werden muss.


Künstliche Fotosynthese: Stand der Entwicklung

Fast alle Verfahren sind bisher lediglich im Labormaßstab entwickelt worden

• Fotokathoden zur Reduktion: 4 H+ + 4e- 2 H2

– p-Silizium+InP+Fe-Kat

– InP

– TiO2+ Pt

– C3N4 auf Si oder CuFeS2 (Chalkopyrit)

– InxGa1-xN

• Fotoanoden zur Oxidation: 2 H2O - 4e- O2 + 4 H+

– Hämatit (Eisenoxid)

– Silizium+Eisenoxidschicht

– TiO2

– Nb2O5

– SrNbO2N

– BiVO4 + Wo + CoPhosphat-Kat

• Katalysatoren: Eisenkomplexe, Platin Pt, Co3(PO4)2


Wasserstoff H2 zu Methangas CH4

Wasserstoff kann mit CO2 zu CH4 (Methan) umgesetzt werden (Sabatier-Verfahren, ca.60% bzw. 95% Wirkungsgrad)

• 4 H2 + CO2 CH4 + 2 H20

• Bereits bestehende Technologie (Fa. Audi in Werlte)

• Neuer Kobalt-Katalysator > 95% Wirkungsgrad (Projekt iC4)

• Methangas kann mit bereits bekannten chemischen Verfahren zu Treibstoffen weiter verarbeitet werden

„Sonnengas“

Katalysator


Synthese von Treibstoffen aus „Sonnengas“

Sonnenlicht

Photonen

H2OFotokatalyse

Methanisierung zu CH4

BiogasCCS AminwäscheLuft Elektrodialyse

CO2

H2 H2O

Polyole PU

Polycarbonat

SynthesegasCO + H2

Fischer-Tropsch

Wachse

Benzine

Benzin

Essigsäure

Methanol

EthylenPropylen

Dimethylether

PVA PE, PP

Novomer (USA)

Bayer Material Science (DE)

Kat

Kat

Kat

GTL (O2)

Ethylen

Kat

PE

Benzin

Die Vision für die Zukunft

• Erzeugung von Strom mit Wasserkraftwerken, Fotovoltaik und Windanlagen und SNG-betriebenen Gasturbinen-Anlagen

• Stromspeicherung und Stromtransport wie bisher

• Gewinnung von Rohstoffen für die Kunststoffherstellung mit bisher bekannten optimierten und mit neuen Verfahren

• Wärmeerzeugung und Mobilität durch Verbrennen von SNG oder Wasserstoff



Solare Wasserstofferzeugung: Stand der Technik

Sun Catalytix (Cambridge):

– arbeitet an der Entwicklung kleiner Anlagen, die dezentral Häuser mit Wasserstoff versorgen können

– Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen

Anlage Solare H2-Erzeugung

Quelle: HyperSolar

ODB-TEC (Neuss)

–TiO2 + TiO2/Pt-System, pat.

–marktreif

–Ca.1% Wirkungsgrad

HyperSolar (Santa Barbara)

–entwickelt ein zum Patent angemeldetes H2Generator System

–Wasserstoff-Erzeugung auch aus verschmutztem Wasser

–Schutz vor Korrosion durch spezielle Polymerbeschichtung PEDOT:PSS

–Kurz vor Markteinführung


Fazit und Ausblick

Die Erzeugung von „Sonnengas“ ist nach dem heutigen Stand der Wissenschaft die sinnvollste weil direkte Methode, in der Zukunft speicherfähige Energie und Treibstoffe zu erzeugen

Markus Antonietti, ein führender Wissenschaftler auf dem Gebiet der photokatalytischen Wasserspaltung: „ Wie die heutigen Solarzellen ließen sich künstliche Fotosynthese-Systeme etwa auf Dächern installieren. Bei einer Lichtausbeute von 10% könnten sie z.B. 300 t Methanol/ha.Jahr liefern“

Es fehlt noch ein Gesamtkonzept, wie die Erzeugung von „Sonnengas“ in Zukunft realisiert werden könnte

Die Entwicklungen sind teilweise so weit gediehen, dass eine technische Umsetzung möglich ist – Kosten noch zu hoch!

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