Die besten Elektrolyseur-Photovoltaik-Kombinationen, demonstriert in Testfeldern
Integriertes PV-EC-Device bei Leistungstests am Freiluftteststand für realistische Betriebsbedingungen. © Sonya Calnan/HZB
Eine der vielversprechendsten Strategien, um die Verfügbarkeit der Sonnenenergie zu steigern, ist die Umwandlung überschüssiger Energie in Wasserstoff. Das Projekt PECSYS untersuchte, welche Kombinationen aus Werkstoffen und Technologien sich am besten für einen solchen Vorgang eignen.
Am Ende läuft alles auf die Elektrolyse hinaus. Durch die Kombination von Photovoltaikmodulen mit Elektrolysesystemen kann die überschüssige Energie in Wasserstoff umgewandelt und später verwendet werden, wenn die Nachfrage die Zufuhr übertrifft. Damit sind keine Pufferbatterien oder Gleichspannungswandler mehr erforderlich. Der Wasserstoff kann in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet werden und die Nutzenden erhalten einen CO2-freien Energiekreislauf, von der Erzeugung über die Speicherung bis hin zur Verwendung.
Ziel des Projekts PECSYS (Technology demonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogen production) ist es, diese Technologie voranzubringen, indem es verschiedene Kombinationen aus Elektrolyseuren und Photovoltaikzellen erforscht. „Anfangs planten wir, verschiedene Werkstoffe zu testen und dann den besten für die finale Umsetzung in einem Vorführsystem auszuwählen. Wir lernten jedoch bald, dass verschiedene Ansätze verschiedene Vorteile bieten. Statt uns gegen mehrere Möglichkeiten zu entscheiden und nur eine weiterzuverfolgen, untersuchten wir daher mehrere Technologien“, so Sonya Calnan, Leiterin der Gruppe „Photovoltaik-zu-Brennstoff-Technologie“ am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Projektkoordinatorin.
Verknüpft oder integriert?
Was die Elektrolyse betrifft, konzentrierte sich das Konsortium auf sowohl direkt verknüpfte als auch in die Photovoltaik integrierte Elektrolyseure. Die direkte Verknüpfung von Photovoltaik und Elektrolyseuren ist nicht neu, aber das Team war der Meinung, dass für die Technik noch Verbesserungsmöglichkeiten bestanden. Calnan erläutert: „Unsere Kolleginnen und Kollegen am Forschungszentrum Jülich entwickelten einzigartige Polymerelektrolytmembran-Stapel (PEM) mit geringerer Verwendung von Platinmetallen bei Katalysatorbeladung und -system. Diesen wird nur von der Kathode her Wasser zugeführt. So verringern wir die Komplexität und die Kosten unserer Lösung im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyseuren.“ In die Photovoltaik integrierte Elektrolyseure wurden dagegen gewählt, um eine bestehende Forschungslücke zu schließen.
Keine Studie hatte je den langfristigen Betrieb im Freien in einer Größe über Labormaßstab demonstriert. Das HZB und die Universität Uppsala schlossen diese Lücke. Dabei verzichteten sie auf die Verwendung von Platinmetallen für Katalysatoren und nutzten bewährte Photovoltaiktechnologien, um die Sonnenenergie aufzufangen. Bezüglich der Photovoltaik entschloss sich das Konsortium für Heteroübergangszellen aus Silizium beziehungsweise CIGS-Zellen (aus dem Werkstoff Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, CIGS). Erstere wurde aufgrund der hohen Umwandlungseffizienz von Sonnenenergie in Strom, einem niedrigen Temperaturkoeffizienten, einer hohen Leerlaufspannung und der intrinsischen bifazialen Fähigkeit gewählt. Schließlich wurden die Überlegungen durch bestehende Pläne für den Bau einer oder mehrerer großer Fertigungsanlagen gerechtfertigt. „CIGS-Zellen wurden ausgewählt, da ihre Bandlücke einfach eingestellt werden kann. Wir können die Spannung der Photovoltaik- und Elektrolysezellen an die lokalen klimatischen Bedingungen am Einsatzort anpassen“, so Calnan weiter.
Testfelder in Deutschland und Italien
Die bedeutendsten Ergebnisse des Projekts sind zweifellos seine Testfelddemonstrationen. In Jülich, Deutschland, installierten Projektpartner eine Solarkollektorenfläche von 8,2 m². Sie besteht aus Heteroübergangsmodulen aus Silizium und CIGS-Modulen in voller Größe, die an separate PEM-Elektrolyseure angeschlossen sind. Die Installation erzeugte innerhalb eines Monats kontinuierlichen Betriebs im Freien bei einer durchschnittlichen Sonnenenergie-zu-Wasserstoff-Effizienz von 10 % durchschnittlich 42,9 g Wasserstoff pro Stunde. Ein zweiter Demonstrationsort vom Italienischen Forschungsrat in Catania, Italien, bestand aus einer 730 cm² großen Auffangfläche. Hier wurden Heteroübergangsmodule aus Silizium in bifazialem Betrieb verwendet. „Bifazialität ist eine innovative Lösung, um den Ertrag der Wasserstofferzeugung zu steigern, ohne dabei die Kosten zu erhöhen. Wir konnten eine Sonnenenergie-zu-Wasserstoff-Effizienz von 13,5 % sowie eine Wasserstofferzeugungsrate von 307 mg/h bei einem Sonnenbestrahlungsniveau von 1 000 W/m2 und einer Umgebungstemperatur von 25 °C demonstrieren. Das entspricht einer Steigerung um 14 % im Vergleich zum monofazialen Betrieb“, erläutern Calnan und ihr Team.
Das Projekt soll im Dezember 2020 abgeschlossen werden. Bis dahin wird das Team die endgültige Montage der integrierten Vorführsysteme abschließen und die Vorteile seiner Lösungen quantifizieren. Auf lange Sicht hoffen die Forschenden, dass das Projekt zu neuen Ideen für den Einsatz kostengünstiger, autonomer Systeme für erneuerbare Energie beitragen wird.
Das Projekt, das zu diesem Antrag führte, wurde vom Gemeinsamen Unternehmen Brennstoffzellen und Wasserstoff 2 im Rahmen der Zuschussvereinbarung Nr. 735218 finanziert. Dieses gemeinsame Unternehmen wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union sowie durch Hydrogen Europe und N.ERGHY" unterstützt.- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.