Kupfer und Sonnenenergie – ein Rezept für klimaneutralen Wasserstoff

Den Schweizer Strombedarf mit erneuerbaren Energien wie der Solarenergie zu decken, ist ohne die Möglichkeit diesen zu speichern, nicht machbar. Herkömmliche Speicher, wie Batterien, sind jedoch nicht in ausreichender Reife entwickelt und enthalten zudem umweltbedenkliche und seltene Materialien oder wären zu platzraubend.

Jedoch lässt sich die Energie der Sonne auch in Form von flüssigem Wasserstoff speichern. Er speichert eine hohe Energiedichte, ist gut transportierbar und kann mit dem Preis von herkömmlichen Brennstoffen konkurrieren. So soll Wasserstoff für fünf Euro pro Kilogramm gehandelt werden und gleich viel Energie produzieren wie vier Liter Erdöl, welches 2013 für acht US-Dollar gehandelt wurde.

Das richtige Material

Wasserstoff kann auf verschiedene Arten gewonnen werden. Die bekannteste ist die sogenannte Elektrolyse, bei der mit Hilfe von Strom Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff getrennt wird. Anders Hagfeldt und sein Team an der EPF Lausanne haben nun jedoch eine neue Methode vorangetrieben. Photoelektochemische Wasserspaltung, kurz PEC, nennt sich das Verfahren. PEC-Zellen sind eine Art von Solarzellen, die den Wasserstoff direkt in der Zelle erzeugen, indem sie die Sonne als Energiequelle für die Wasserspaltung nutzen. Die Zellen bestehen aus einer sogenannten Photokathode und einer Photoanode. Diese Elektroden können aus verschiedenen Materialien bestehen und je nachdem, wie sie zusammengestellt werden, kann die Effizienz der Technologie vergrössert werden. Das Forscherteam hat bei der Entwicklung ihrer Zellen auch darauf geachtet, nur Materialien zu verwenden, die gut verfügbar, kostengünstig und möglichst umweltfreundlich sind. So haben die Forschenden eine funktionierende PEC Zelle bauen können, die einen halben Quadratmeter Fläche hat und einen Wirkungsgrad von 8,8 Prozent aufweist. Das bedeutet Weltrekord für diesen Zelltyp.

Für ihre neue PEC-Zelle verwendeten die Forschenden eine Kathode aus Kupferoxid. Dieses befindet sich während der Aufspaltung des Wassers einem sauren Medium mit einem pH-Wert von 5. Damit die Oberfläche des Kupferoxids jedoch nicht von der sauren Lösung abgetragen wird und so die Effizienz der Apparatur beeinträchtigen würde, haben die Forschenden das Kupferoxid mit einer Schutzschicht aus Titanoxid ausgestattet. Diese ist korrosionsbeständig und dünn genug, dass sie dennoch eine Reaktion am Kupferoxid zulässt.

Nächster Schritt: Prototyp

Um die technologische Reife einer Anwendung einschätzen zu können, hat das Bundesamt für Energie Levels definiert. Anders Hagfeldts PEC Zellen wurden zum Beginn ihrer Arbeiten als A eingestuft – es bestand also nur ein Konzept für die Methode. Im Rahmen ihrer Forschung brachten sie die Technologie jedoch auf ein Level B und somit ist das Team nun weit genug, einen Prototyp herzustellen, der auf die Anwendung in der Industrie angepasst ist. Die Forschenden betonen jedoch, dass es stark von politischen Entscheiden abhänge, ob die neuen Zellen in Zukunft kosteneffizient sein werden oder nicht. So müssen erneuerbare Energieträger weiterhin favorisiert werden, beispielsweise durch Steuern auf nicht erneuerbare Energien.