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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.
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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.
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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?
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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.
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Sonnenenergie zu Strom und Wärme
Solarthermie – Wärmegewinnung und Stromerzeugung (Almeria, Marokko, Ivanpah in USA)
Quelle: Kuntschar Energieerzeugung GmbH
Fotovoltaik (Solardächer, Fotovoltaikfabriken)
Windenergie
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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)
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Kohlendioxid Methan
Katalysator
Quelle: Heliocentris Energy Solutions AG
Wenn zu viel Sonnen- oder Windstromerzeugt wird:
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Schema für „Power-to-Gas“
H2O alkalischeElektrolyse
Strom-erzeugung
Wärme-Erzeugung
IndustrielleNutzung
Erdgas-Netz
Methanisierung
BiogasCCS
CO2
H2
CH4Gas-
SpeicherH2
Mobilität
Fotovoltaik
Windstrom
H2
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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
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Der Weg von der natürlichen zur künstlichen Fotosynthese
Kohlendioxid (CO2)
Wasser (H2O)
Sauerstoff (O2)
Biomasse, Zucker
Wasserstoff (Treibstoff)
Mit Genehmigung von Dr. Thomas Nann
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Das Z-Schema der natürlichen Fotosynthese
Enzym catalysiert
Pigment
Enzym catalysiert
Mit Genehmigung von Dr. Thomas Nann
Elektronen-Energie-Transfer „Downhill“
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Nachahmung des Z-Schemas
Wasserstoff
Sauerstoff
Pigment 1
Pigment 2
Catalysator 1
Catalysator 2
Oxidation
Reduktion
Darstellung Dr. Thomas Nann
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Komponenten für künstliche Fotosynthese
Wasserstoff
Catalysts
Nanomaterialien
Nanopartikel H2
Mit Genehmigung von Dr. Thomas Nann
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
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Quantenpunkte
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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
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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-
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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.
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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
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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
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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
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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
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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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