Bis 2045 soll Deutschland klimaneutral werden. Dies hat die Bundesregierung mit der Novelle des Klimaschutzgesetzes beschlossen. Um die Nutzung fossiler Brennstoffe zu reduzieren und den Anteil erneuerbarer Energien zu erhöhen, sind jedoch noch grundlegende Umstellungen, besonders in den Sektoren Energie, Wärme, Landwirtschaft, Verkehr und Industrie, notwendig. Hierbei spielt Wasserstoff eine wichtige Rolle.

Bisher ist die Elektrolyse, bei der Wasserstoff durch die Aufspaltung von Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom erzeugt wird, das maßgebliche Verfahren. Da die Erzeugungskapazitäten von Wind- und Solarkraftanlagen, die für die Produktion von grünem Wasserstoff benötigt werden, begrenzt sind, empfiehlt die Nationale Akademie der Wissenschaften alternative Verfahren weiterzuentwickeln. Erwähnt wird in diesem Zusammenhang die künstliche Photosynthese oder auch fotoelektrische Wasserspaltung, bei der Wasserstoff aus Sonnenlicht und Wasser hergestellt wird. Gegenwärtig ist dieses Verfahren technisch noch nicht ausgereift und kann noch nicht wirtschaftlich betrieben werden.

Hier setzt das Projekt »NanoPEC – Effiziente, stabile und anwendungsreife Reaktoren für die fotoelektrochemische Wasserspaltung auf Basis von nanostrukturierten Absorbern« an. Das Fraunhofer CSP wird, zusammen mit der Gebr. Schmidt GmbH und sechs weiteren Partnern aus Industrie und Wissenschaft, die bereits patentierte fotoelektrochemische Technologie der SunHydrogen Inc. vom Laboraufbau zu einer Demonstrationsanlage weiterentwickeln. Bei dem Verfahren werden die Fotoelektroden von nanometergroßen Tandem-Solarzellen auf Halbleiterbasis gebildet, die in Aluminiumoxid eingebettet sind. »Ausgehend von bestehenden Anlagen wird Fertigungstechnologie für die Elektroden und Module entwickelt. Ziel ist hierbei, eine automatisierte Fertigung im 1.000 Stück-Maßstab zu realisieren«, sagt Dr. David Adner, Wissenschaftler in der Gruppe »Diagnostik und Metrologie Solarzellen« am Fraunhofer CSP und Projektleiter.

Dazu soll die gegenwärtige manuelle Fertigung, die lediglich niedrige Stückzahlen in schwankender Qualität ermöglicht, zu einer automatisierten Fertigungstechnologie weiterentwickelt werden, erklärt Dr. Christian Hagendorf, Gruppenleiter »Diagnostik und Metrologie Solarzellen«. Auch für die Messtechnik, die zurzeit noch von anderen Technologien übernommen wird, die die Anforderungen der Fotoelektrochemie nicht berücksichtigen, müssen neue Lösungen gefunden werden, damit die wirtschaftliche Umsetzung von Forschungsergebnissen sowie die industrielle Weiterentwicklung und die Kontrolle und Weiterentwicklung des Produktionsprozesses und der Produkte gewährleistet ist.

Das Fraunhofer CSP ist Verbundkoordinator und im Rahmen des Projektes für die Entwicklung eines skalierbaren LED-Sonnensimulator-Teststandes für Solar-Reaktoren sowie die Entwicklung eines Freiluft-Messstands für die langfristige Untersuchung der Demonstrationsanlagen unter Anwendungsbedingungen zuständig.

Die entwickelten fotoelektronischen Reaktoren finden dort Anwendung, wo kleine Mengen Wasserstoff benötigt werden und erfordern keine umfangreichen Investitionen. Angedacht sind sie zum Beispiel für die Speicherung von Solarenergie in Wohnhäusern oder für kleine Unternehmen, deren Gabelstapler oder andere Gebrauchsfahrzeuge mit Wasserstoff betrieben werden.

Das Projekt »NanoPEC« läuft über einen Zeitraum von drei Jahren und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Zu den Partnern zählen neben dem Fraunhofer CSP, die Gebr. Schmid GmbH, Wavelabs Solar Metrology Systems GmbH, ECH Elektrochemie Halle GmbH sowie das Helmholtz Zentrum für Materialien und Energie. Assoziierte Partner sind Sun Hydrogen Inc. und Zahner-Elektrik GmbH & Co. KG.