“Zündstoff für die Energiewende”

Paderborner Chemiker erforscht Herstellung grünen Wasserstoffs aus Sonnenlicht

H2 grün - Symbol

Airbus will bis 2035 emissionsfrei fliegen, Mercedes-Benz stellt den Brennstoffzellen-LKW vor, die Bundesregierung legt den Grundstein für eine globale Wasserstoffwirtschaft – Pläne von heute, damit die Welt von morgen grüner wird. Und die Zeit drängt: Deutschland soll bei Wasserstofftechnologien die Nummer eins werden. Das hat Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier im Sommer verkündet. Wissenschaft und Forschung arbeiten auf Hochtouren. Elementarer Bestandteil der Energiewende ist sogenannter grüner Wasserstoff, der auf Basis von Ökostrom produziert wird. Viel Wind um nichts? Im Gegenteil. „Der weltweite Bedarf an Energie und Mobilität muss gedeckt werden, ohne dabei klimaschädliche Stoffe zu produzieren. Anders kann es uns nicht gelingen, die gesetzten Klimaziele zu erreichen“, sagt Prof. Matthias Bauer von der Universität Paderborn in einer Medienmitteilung vom 29.09.2020. Der Chemiker erforscht in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt, wie Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht erzeugt werden kann.

Breite Anwendung ist gefragt

Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie hat die Bundesregierung den Rahmen für die Herstellung, Nutzung und Wiederverwendung des gasförmigen Hoffnungsträgers abgesteckt. Erklärtes Ziel ist u. a. die sukzessive Umstellung auf grünen Wasserstoff in den Bereichen Verkehr, Industrie, Wärmemarkt. Mittel- und langfristig muss laut Bauer insbesondere die Brennstoffzellentechnologie im Mobilitätssektor breit angewendet werden. „Die Dekarbonisierung ist entscheidend für einen grundlegenden Strukturwechsel im öffentlichen Personenverkehr, bei privaten Pkw und in der Transportlogistik.“

„Derzeit erforschen mein Team und ich, wie Wasserstoff möglichst effizient und vor allem ressourcenschonend auf Basis von Sonnenlicht erzeugt werden kann. Zusammen mit Sauerstoff kann er relativ einfach und direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Als Abfallprodukt entsteht Wasser, aus dem mithilfe von Katalysatoren und Strom dann wieder Wasserstoff gewonnen werden kann. Ein grüner Kreislauf also“.

Paderborn möchte sowohl bei der Erforschung als auch bei der Entwicklung dieser Technologie künftig eine herausragende Stellung einnehmen. „Wir haben an der Universität nicht nur eine starke naturwissenschaftliche Grundlagenforschung, sondern auch anwendungsbezogene Mobilitätsforscher, Software- und KI-Experten“, so Bauer.

Grüner Kreislauf

Wasserstoff stellt als Antrieb für Elektroautos eine umweltfreundliche Alternative zu konventionellen Treibstoffen wie Benzin oder Diesel dar. Der Wissenschaftler erklärt:

„Derzeit erforschen mein Team und ich, wie Wasserstoff möglichst effizient und vor allem ressourcenschonend auf Basis von Sonnenlicht erzeugt werden kann. Zusammen mit Sauerstoff kann er relativ einfach und direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Als Abfallprodukt entsteht Wasser, aus dem mithilfe von Katalysatoren und Strom dann wieder Wasserstoff gewonnen werden kann. Ein grüner Kreislauf also“.

Aktuell liegt der nationale Wasserstoffverbrauch laut Bundesregierung bei rund 55 Terrawattstunden. Größtenteils stammt er als blauer Wasserstoff allerdings aus fossilen Ausgangsstoffen und geht deshalb mit erheblichen CO2-Emissionen einher. „Das muss sich dringend ändern. Wirklich nachhaltig ist nur grüner Wasserstoff“, weiß Bauer.

Deutschland muss am Ball bleiben

Eine jüngst vom BMBF in Aussicht gestellte Machbarkeitsstudie für eine deutsch-australische Lieferkette soll jetzt den Aufbau einer weltweiten grünen Wasserstoffwirtschaft vorantreiben. Dazu Bauer: „Daraus ergeben sich nicht nur neue Absatzmärkte für deutsche Unternehmen. Auch für unsere Wissenschaft wäre das von großer Bedeutung. Deutschland kann sich weltweit als Land mit herausragender Spitzenforschung und als technologischer Marktführer positionieren. Denn neben dem Mobilitätssektor ist grüner Wasserstoff vor allem für die Industrie, bei der Erzeugung von Chemikalien oder Kunststoff und im Rahmen von Power-to-Heat, also zum Heizen, interessant.

Am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) arbeiten Wissenschaftler um Roel van de Krol, Professor für Chemie und Leiter des Instituts für Solare Brennstoffe am HZB, seit 2006 daran, Solarzelle und Elektrolyseur zu verschmelzen. “Wir suchen nach Halbleitermaterialien, die gleichzeitig Licht absorbieren und Wasser spalten können.” Was sich einfach anhört, entpuppt sich in Wirklichkeit als Mammutaufgabe. “Wir haben drei Eckpunkte, an denen wir die Materialien messen: Wirkungsgrad, chemische Stabilität und Skalierbarkeit”, erklärt van de Krol die Herausforderung. “Zwei gleichzeitig zu optimieren, ist machbar; alle drei hingegen, das ist schwer. So gibt es beispielsweise Materialien, die einen recht hohen Wirkungsgrad ermöglichen und auch zu akzeptablen Kosten in größeren Anlagen eingesetzt werden könnten. Leider zerfallen diese schon nach wenigen Stunden. Andere sind wiederum preiswert und über lange Zeit stabil, lassen aber beim Wirkungsgrad zu wünschen übrig.” Van de Krol und sein Team haben sich bei ihrer Suche nach der Nadel im Heuhaufen auf die Stoffgruppe der Metalloxide spezialisiert. Als er im Jahr 2006 damit begann, erreichte seine Versuchsanlage einen Wirkungsgrad von gerade einmal 0,0017 Prozent. “Das hat natürlich jeden potenziellen Industriepartner verschreckt.” Seither haben er und sein Team es geschafft, die Effizienz um den Faktor 3.000 zu steigern. “Heute liegen wir bei fünf Prozent und mittlerweile wird uns auch schon erstes Interesse aus der Wirtschaft signalisiert. Um wirklich effizient zu sein, müssen wir aber nochmal eine Steigerung um den Faktor zwei bis drei erreichen und das kann durchaus noch einige Jahre dauern.” (solarify.eu/amorphes-molybdaensulfid-bester)

Das sieht auch der Paderborner Bauer so: „Die Bestrebungen der Bundesregierung und die Tatsache, dass inzwischen zahlreiche Länder eine Wasserstoffstrategie haben, zeigen einmal mehr, dass die Energiewende mittlerweile zum dominierenden Thema in Politik, Wirtschaft und Wissenschaft geworden ist. Deshalb sehen wir uns als Wissenschaftler aufgefordert, diese gesamtgesellschaftlich fundamental wichtigen Ideen und Pläne in die Tat umsetzen – und das zügig, damit Deutschland auch wirklich eine Vorreiterrolle einnehmen kann“.

->Quelle: uni-paderborn.de/94408