Künstliche Photosynthese: Licht zu Energie

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kuenstliche-photosynthese-solarWasserstoff kann mit Sonnenlicht produziert werden und gilt als eine der saubersten Stoffe zur Energieversorgung. Einen hoffnungsvollen Weg dorthin haben nun Schweizer Forscher aufgezeigt. Schon seit geraumer Zeit haben sie versucht, den Prozess der Photosynthese zu imitieren, wie ihn Pflanzen auf natürliche Weise nutzen. Hierbei wird durch Umwandlung von Licht chemische Energie erzeugt. Leider sind die bisherigen Bemühungen noch nicht effizient genug, um Wasserstoff in Form einer künstlichen Photosynthese zu erzeugen. Für großtechnische Anwendungen reichten die Kenntnisse bisher noch nicht aus.

Chemiker der Polytechnischen Hochschule in Lausanne haben die Lösung gefunden

Michale Grätzel und seine Mitarbeiter von der Polytechnischen Hochschule in Lausanne haben eine Möglichkeit gefunden, wie Wasser günstig und effizient durch Sonnenlicht in seine Bestandteile zerlegt werden kann. Dabei werden nur diejenigen Komponenten verwendet, die auch in der Natur häufig vorkommen.

Die umweltschonende Elektrolyse für die Wasserstoffgewinnung

Wasserstoff wurde bisher vornehmlich aus fossilem Erdgas oder durch eine elektrolytische Spaltung von Wasser gewonnen. Diese Elektrolysegeräte eignen sich aber nicht für den Betrieb mit Sonnen- oder Windenergie. Zudem müssen sie in einem durchlaufen, da ansonsten die empfindlichen, elektrochemischen Zellen korrodieren. Aus diesem Grund werden die bisherigen Geräte mit Strom aus fossilen Energieträgern betrieben.

Weitaus umweltfreundlicher und ressourcenschonender lässt sich Wasserstoff produzieren, wenn die Aufspaltung alleine durch Sonnenenergie stattfindet. Hierzu sind zwei Schritte erforderlich. Zunächst erzeugt eine Solarzelle elektrischen Strom, mit dem anschließend die elektrochemische Zelle betrieben wird. Hierdurch wird das Wasser in seine Bestandteile aufgespalten (Elektrolyse). Im Ergebnis erhält man Sauerstoff und Wasserstoff. Für diesen Prozess wird eine Spannung von wenigstens 1,23 Volt benötigt, da der Spaltvorgang sehr komplex ist. In Reihe geschaltete Solarzellen aus Silizium und Halbleiterkomponenten sowie spezielle Elektroden aus den seltenen Metallen, wie Iridium, Ruthenium und Platin, lassen sich die zur Wasserspaltung erforderlichen Spannungen erzeugen. Mit diesem Verfahren wird ein Wirkungsgrad von 12% erzielt. Jedoch sind die verwendeten Materialien viel zu teuer, so dass auch der produzierte Wasserstoff teuer wird. Es gibt aber auch andere Ansätze.

Die Schweizer Forscher gehen einen anderen Weg

Michael Grätzel wird auch als Erfinder der Farbstoff-Solarzelle bezeichnet. Als Stromquelle werden zwei in Reihe geschaltete Solarzellen verwendet, die aus dem Mineral Perowskit bestehen. Hierbei handelt es sich um bleihaltiges Salz, welches in der Lage ist, Licht vom Infrarotbereich bis zum Ultraviolett zu absorbieren. Diese Zellen sind sehr beliebt, da sie einen Wirkungsgrad von 15% erzielen und recht einfach herzustellen sind. Sie können mit den polykristallinen Siliziumzellen bereits konkurrieren.

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Für die Wasserstoffgewinnung hat das Forscherteam als Katalysator für die beiden Elektroden eine preisgünstige Eisen-Nickel-Hydroxid-Verbindung gewählt. Diese Verbindung weist ähnliche Eigenschaften auf, wie die teuren und seltenen Metalle. Die können darüber hinaus gleichzeitig auch als Kathode und Anode verwendet werden. Diese Solarzellen werden nun mit einer künstlichen Lichtquelle beleuchtet. Dadurch entsteht an beiden Elektroden eine heftige Gasentwicklung. Wasserstoff bildet sich an der Kathode, Sauerstoff an der Anode. Bei einem Test konnten 12,3% der Lichtenergie in chemische Energie in Form von Wasserstoff umgewandelt werden. Denselben Wert erreichen auch die teureren Verfahren. Die Schweizer Forscher halten eine Steigerung des Wirkungsgrades auf 15% für möglich. Hierzu müsste man das Absorbtionsvermögen der Perowskit-Solarzellen noch verbessern. Es wird folglich noch am Design geschliffen.

Weitere Details zu diesem Thema finden Sie in dem Artikel „Künstliche Photosynthese – Licht in Wasserstoff speichern“ vom 07.11.2014 von unserem Autor Dr. Klaus Decken.

Bildquelle: © Verena N. / pixelio – www.pixelio.de

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