Wasserstoff für 22 Dollar pro Quadratmeter: KIT entwickelt Solar-Panel ohne Elektrolyseur

Die Herstellung von grünem Wasserstoff gilt als Schlüssel für die Dekarbonisierung von Industriezweigen wie der Stahl- und Zementproduktion. Bislang erfordert das Verfahren jedoch energieintensive Elektrolyseure und separate Photovoltaikanlagen, was hohe Kosten verursacht.

Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) verfolgt im Rahmen des Projekts Photreon einen anderen Weg. Mit speziellen Photoreaktorpaneelen soll Wasserstoff direkt vor Ort aus Sonnenlicht und Wasser gewonnen werden – ohne den Zwischenschritt über elektrischen Strom.

Direkte Wasserspaltung durch Photokatalyse

Das System nutzt das physikalisch-chemische Prinzip der Photokatalyse. Lichtaktive Materialien absorbieren das Sonnenlicht direkt und versetzen Elektronen in einen angeregten Zustand, wodurch die Wassermoleküle unmittelbar in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden.

„Photovoltaik und Elektrolyseur werden in einem Prozessschritt durch das Photoreaktorpaneel ersetzt“, betont Mitgründerin Maren Cordts vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT. Dieser Ansatz reduziere sowohl die Systemkosten als auch die Komplexität herkömmlicher Produktionsanlagen erheblich.

Kleines Kraftwerk

Patentierter Reaktoraufbau aus günstigen Kunststoffen

Die technische Grundlage für das Vorhaben lieferte eine Veröffentlichung des Teams im Fachjournal Joule aus dem Jahr 2023. Das nun zum Patent angemeldete Paneel fängt das Sonnenlicht über parallel angeordnete, V-förmige Rinnen auf und lenkt es konzentriert in röhrenförmige Reaktionskammern.

Laut Mitgründer Paul Kant wurde die Geometrie so optimiert, dass Lichttransport, chemische Reaktion und der Abtransport der Gase effizient ineinandergreifen. Die Machbarkeit demonstrierte das Team bereits anhand eines Prototyps mit einem Quadratmeter Fläche.

Bei den Materialien setzt das Projekt auf gängige Kunststoffe wie Polycarbonat und Polyethylen sowie eine dünne Aluminium-Reflektorschicht. Die reinen Modulkosten bezifferten die Forschenden in ihrer Publikation auf rund 22 US-Dollar pro Quadratmeter, was eine kostengünstige Massenfertigung ermöglichen soll.

Einsatzmöglichkeiten im industriellen Mittelstand

Die modularen Reaktoren eignen sich sowohl für dezentrale Installationen bei mittelständischen Betrieben – etwa in der Lebensmittel- oder Metallverarbeitung – als auch für großflächige Solarparks in Regionen mit starker Sonneneinstrahlung.

Gerade an Standorten ohne Anbindung an Strom- oder Wasserstoffnetze bietet das modulare Konzept die Möglichkeit, den benötigten Brennstoff direkt vor Ort zu erzeugen.

Wirtschaftlichkeit ab fünf Prozent Wirkungsgrad

Für den wirtschaftlichen Durchbruch der Technologie ist der Wirkungsgrad entscheidend. Während klassische photokatalytische Verfahren im Labor oft nur niedrige einstellige Werte erreichen, gilt in der Industrie ein Wirkungsgrad ab etwa 5 Prozent als wirtschaftliche Schwelle.

In ihrer 2023 veröffentlichten Studie erzielten die KIT-Wissenschaftler bei einer photochemischen Modellreaktion eine Effizienz von 5,8 Prozent. Die finalen Wirkungsgradmessungen für die tatsächliche Wasserstoffausbeute im großformatigen Prototyp stehen derzeit noch aus.