Wasser mit Sonnenlicht spalten eine Zukunftsvision 16. VDI-Kongress der Frauen im Ingenieurberuf Am Juli 2014 in Nürnberg

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1 Wasser mit Sonnenlicht spalten eine Zukunftsvision 16. VDI-Kongress der Frauen im Ingenieurberuf Am Juli 2014 in Nürnberg HIFA Consult H2-Technology, München Dipl.-Ing. (FH) Bettina Hirdina-Falk

2 Wasser mit Sonnenlicht spalten eine Zukunftsvision Fossile Energieträger gehen zur Neige was tun? Direkte Nutzung von Sonnenenergie: Fotovoltaik, Windstrom Problematik Stromspeicherung Power-to-Gas LOHC 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 HIFA Consult München Seite 2

3 Fossile Energieträger: Kohle, Erdöl, Erdgas Abgestorbene und nicht zersetzte Pflanzen- und Tierreste lagern sich auf dem Meeresgrund ab. Durch den Druck neuer Erdschichten und der Faltung der Erdkruste entstehen Erdöllagerstätten und Erdgas Quelle: WEG Wirtschaftsverband Erdöl- und Erdgasgewinnung e.v. Pflanzen haben über Jahrmillionen Sonnenenergie mittels Fotosynthese in chemische Energie umgewandelt und als Kohle, Erdöl und Erdgas gespeichert. Fossile Energieträger sind gespeicherte Sonnenenergie! HIFA Consult München Seite 3

4 Die Situation der fossilen Energieträger Die fossilen Energiespeicher gehen unweigerlich zu Ende. Die Menschheit wird innerhalb von etwa 100 Jahren die gesamten Vorräte aufgebraucht haben. Was tun? HIFA Consult München Seite 4

5 Woher wir unsere Energie bekommen Die Sonne Tiere Pflanzen Menschen HIFA Consult München Seite 5

6 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 HIFA Consult München Seite 6

7 Sonnenenergie zu Strom und Wärme Fotovoltaik (Solardächer, Fotovoltaikfabriken) Windenergie Solarthermie Wärmegewinnung und Stromerzeugung (Almeria, Marokko, USA) HIFA Consult München Seite 7

8 Problem Stromspeicherung Problematik: Strom lässt sich schlecht speichern Eine Lösung: Power-to-Gas Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von überschüssigem Wind- und Solarstrom: Wasserstoff und Sauerstoff Weiterverarbeitung von Wasserstoff H 2 zu Methangas CH 4 (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) HIFA Consult München Seite 8

9 Schema für Power-to-Gas Fotovoltaik Windstrom Biogas CCS H 2 O alkalische Elektrolyse H 2 CO 2 Methanisierung H 2 CH 4 Gas- Speicher H 2 Erdgas-Netz Industrielle Nutzung Mobilität Stromerzeugung Wärme- Erzeugung HIFA Consult München Seite 9

10 Chemische Stromspeicherung mit LOHC LOHC =Liquid Organic Hydrogen Carriers LOHC Carbazol und ähnliche chemische Verbindungen können Wasserstoff chemisch speichern Carbazol H18MSH: ungiftige, leicht fruchtig riechende Flüssigkeit, unter Druck und Temperatur mit Katalysator hydrier- und dehydrierbar - eventuell Benzinersatz der Zukunft? Forschungsprojekt des BHC (Bavarian Hydrogen Center, Prof.Dr. Wolfgang Arlt) der FAU Erlangen-Nürnberg HIFA Consult München Seite 10

11 Elegant: Wasser direkt mit Sonnenlicht spalten Die Erde erhält Energie fast ausschließlich von der Sonne (Ausnahme: Kernenergie) Sonnenenergie wird von Pflanzen in chemische Energie umgewandelt Wasser H 2 O und Kohlendioxid CO 2 mittels Fotosynthese Kohlenwasserstoffe 6 H CO 2 C 6 H 12 O O 2 Komplizierte Vorgänge, Wirkungsgrad knapp 1% Nutzung von Sonnenenergie durch Nachahmung und Optimierung Künstliche Fotosynthese (Fotokatalytische Wasserspaltung) HIFA Consult München Seite 11

12 Fotosynthese in der Natur In der 1. Stufe der Fotosynthese wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt: 2 H H 2 + O 2 In der 2. Stufe der Fotosynthese entsteht aus Wasserstoff und Kohlendioxid ein Kohlenwasserstoff: 6 CO H 2 C 6 H 12 O 6 (Zucker) Aus energetischen Gründen bietet sich die 1. Stufe, die Wasserspaltung zur Gewinnung von Wasserstoff für die Künstliche Fotosynthese an HIFA Consult München Seite 12

13 Der Weg von der natürlichen zur künstlichen Fotosynthese Wasserstoff (Treibstoff) ) Wasser (H 2 O) Sauerstoff (O 2 ) Kohlendioxid (CO 2 ) Biomasse, Zucker HIFA Consult München Mit Genehmigung von Dr. Thomas Nann Seite 13

14 Das Z-Schema der natürlichen Fotosynthese Pigment Enzym catalysiert Enzym catalysiert HIFA Consult München Mit Genehmigung von Dr. Thomas Nann Seite 14

15 Nachahmung des Z-Schemas Oxidation Catalysator 2 Wasserstoff Sauerstoff Catalysator 1 Pigment 1 Pigment 2 Reduktion HIFA Consult München Darstellung Dr. Thomas Nann Seite 15

16 Komponenten für künstliche Fotosynthese Nanopartikel Wasserstoff H 2 Nanomaterialien Catalysts HIFA Consult München Mit Genehmigung von Dr. Thomas Nann Seite 16

17 Fotokatalytische Wasserspaltung Licht zu Gas Quantenpunkte Indiumphosphid InP Herstellung von Lichtantennen mittels Nanotechologie (bottom-up- Methode*) mit fotolithografischen Methoden (Laser) wird ein Template (schablonenartige Abstandhalter) hergestellt Halbleiteratome (Quantenpunkte) werden als selbstorganisierende Epitaxieschichten (Kristalle) aufgebracht und wachsen auf der Schablone nahezu defektfrei auf Anorganische Katalysatormoleküle lagern sich auf den Halbleiteratomen an Anorganische Katalysatoren sind gegenüber den organischen Katalysatoren stabiler und weitgehend unempfindlich gegen Zerstörung durch Sauerstoff und Licht *Bottom-Up-Methoden nutzen die physikalisch - chemischen Grundsätze der molekularen bzw. atomaren Selbstorganisation HIFA Consult München Seite 17

18 Nanotechnologie- Epitaxie Quelle: Wikipedia Beispiel für Epitaxie, also Aufwachsen von Kristallen, bei denen ein anderes Material als Träger wirkt. Das Trägermaterial wird in eine Lösung der aufzuwachsenden Kristalle getaucht. Diese kristallisieren dann allmählich. Quantenpunkte Bei der Herstellung von Lichtantennen werden z.b. Silizium-Scheiben mit einem ganz feinen Muster geätzt. Dafür gibt es spezielle Geräte, die das im Nanomaßstab, nahezu im atomaren Bereich können. Auf diesen Scheiben kristallisieren Halbleiterverbindungen, als Quantenpunkte geordnet auf den durch Ätzen entstandenen kleinen Erhebungen. Damit lassen sich ganz dünne Halbleiterschichten herstellen, wie das für Lichtentennen notwendig ist. Lichtantenne HIFA Consult München Seite 18

19 Realisierung fotokatalytischer H2-Gewinnung Kathode (negativer Pol, p-halbleiter) als Lichtantenne zur Reduzierung von Wasser zu Wasserstoff: 2 H 2 O + 2e - H OH - Anode (positiver Pol, n-halbleiter) als Lichtantenne zur Oxidation von Wasser zu Sauerstoff: 4 OH - O H 2 O + 4 e - Kathode und Anode werden durch eine elektronendurchlässige Membran getrennt Aufbau vergleichbar einem Elektrolyseur mit dem Unterschied, dass die erforderliche Energie direkt von der Sonne geliefert wird HIFA Consult München Seite 19

20 Wasserstoff H 2 zu Methangas CH 4 Wasserstoff kann mit CO 2 zu CH 4 (Methan) umgesetzt werden (Sabatier-Verfahren, ca. 60% Wirkungsgrad) Katalysator 4 H 2 + CO 2 CH H 2 0 Sonnengas Bereits bestehende Technologie (Fa. Audi in Werlte) Neuer Kobalt-Katalysator > 92% Wirkungsgrad Methangas kann mit bereits bekannten chemischen Verfahren zu Treibstoffen weiter verarbeitet werden HIFA Consult München Seite 20

21 Synthese von Treibstoffen aus Sonnengas Sonnenlicht Photonen Biogas CCS Aminwäsche Luft Elektrodialyse CO 2 Polyole PU Polycarbonat Bayer Material Science (DE) Novomer (USA) H 2 O Fotokatalyse H 2 Methanisierung zu CH4 Kat H 2 O GTL (O 2 ) Synthesegas CO + H 2 Kat Kat Fischer-Tropsch Kat PE Benzin Ethylen Methanol Wachse Benzine Diemethylether Essigsäure Ethen Propen Benzin PVA PE, PP HIFA Consult München Seite 21

22 Künstliche Fotosynthese: Stand der Entwicklung Fast alle Verfahren sind bisher lediglich im Labormaßstab entwickelt worden Fotokathoden zur Reduktion: 4 H + + 4e - 2 H 2 p-silizium+inp+fe-kat InP TiO 2 + Pt C 3 N 4 auf Si oder CuFeS 2 (Chalkopyrit) In x Ga 1-x N Fotoanoden zur Oxidation: 2 H 2 O - 4e - O H + Hämatit (Eisenoxid) Silizium+Eisenoxidschicht TiO 2 Nb 2 O 5 SrNbO 2 N BiVO 4 + Wo + CoPhosphat-Kat Katalysatoren: Eisenkomplexe, Platin Pt, Co 3 (PO 4 ) HIFA Consult München Seite 22

23 Stand der Technik Sun Catalytix (Cambridge): arbeitet an der Entwicklung kleiner Anlagen, die dezentral Häuser mit Wasserstoff versorgen können Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen HyperSolar (Santa Barbara) entwickelt ein zum Patent angemeldetes H2Generator System Wasserstoff-Erzeugung auch aus verschmutztem Wasser Schutz vor Korrosion durch spezielle Polymerbeschichtung Kurz vor Markteinführung ODB-TEC (Neuss) Anlage Solare H2-Erzeugung Quelle: HyperSolar TiO2 + TiO2/Pt-System, pat. marktreif Ca.1% Wirkungsgrad HIFA Consult München Seite 23

24 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 Die Entwicklungen sind teilweise so weit gediehen, dass eine technische Umsetzung möglich ist Kosten noch zu hoch! Es fehlt noch ein Gesamtkonzept, wie die Erzeugung von Sonnengas in Zukunft realisiert werden könnte 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 HIFA Consult München Seite 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und noch einen spannenden Kongress! HIFA Consult München Seite 25