Wasser mit Sonnenlicht spalten eine Zukunftsvision 20. März 2015 EineWeltHaus, München

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1 Wasser mit Sonnenlicht spalten eine Zukunftsvision 20. März 2015 EineWeltHaus, München 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 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 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 HIFA Consult München Seite 3

4 Fossile Energieträger = gespeicherte Sonnenenergie Die Sonne: Energie durch Kernfusion und Strahlung Pflanzen nutzen die Sonnenenergie und betreiben damit Fotosynthese Abgestorbene Pflanzen haben Sonnenenergie seit etwa 3 Mrd. Jahren gespeichert Gespeicherte Sonnenenergie in Form fossiler Energieträger wie von Erdöl, Erdgas und Kohle wird seit etwa 200 Jahren systematisch geplündert. Quelle: WEG Wirtschaftsverband Erdöl- und Erdgasgewinnung e.v HIFA Consult München Seite 4

5 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? 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) Quelle: Kuntschar Energieerzeugung GmbH Windenergie Solarthermie Wärmegewinnung und Stromerzeugung (Almeria, Marokko, Ivanpah in USA) HIFA Consult München Seite 7

8 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 H 2 zu Methangas CH 4 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) HIFA Consult München Seite 8

9 Elektrolyse von Wasser: So funktioniert Power to Gas Wenn zu viel Sonnen- oder Windstrom erzeugt wird: 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 Wasserstoff Sauerstoff Wirkungsgrad ca. 60% Quelle: Heliocentris Energy Solutions AG Sabatier-Prozess Wasserstoff zu Methan: 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O Kohlendioxid Katalysator Methan Wirkungsgrad über 95% (Ergebnis Projekt ic4) HIFA Consult München Seite 9

10 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 10

11 Elegant: Wasser direkt mit Sonnenlicht spalten Nutzung von Sonnenenergie durch Nachahmung und Optimierung Künstliche Fotosynthese (Fotokatalytische Wasserspaltung) Sonnenenergie wird von Pflanzen in chemische Energie umgewandelt 1. Stufe der Fotosynthese: Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt: 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 2. Stufe der Fotosynthese: aus Wasserstoff und Kohlendioxid entsteht ein Kohlenwasserstoff: 6 CO H 2 C 6 H 12 O 6 (Zucker,Holz.) Komplizierte Vorgänge, Wirkungsgrad knapp 1% Aus energetischen Gründen bietet sich die 1. Stufe - die Wasserspaltung zur Gewinnung von Wasserstoff - für die Künstliche Fotosynthese an HIFA Consult München Seite 11

12 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 12

13 Das Z-Schema der natürlichen Fotosynthese Pigment Enzym catalysiert Enzym catalysiert Elektronen-Energie-Transfer Downhill HIFA Consult München Mit Genehmigung von Dr. Thomas Nann Seite 13

14 Nachahmung des Z-Schemas Oxidation Catalysator 2 Wasserstoff Sauerstoff Catalysator 1 Pigment 1 Pigment 2 Reduktion HIFA Consult München Darstellung Dr. Thomas Nann Seite 14

15 Komponenten für künstliche Fotosynthese Nanopartikel Wasserstoff H 2 Nanomaterialien Catalysts HIFA Consult München Mit Genehmigung von Dr. Thomas Nann Seite 15

16 Herstellung von Lichtantennen mittels Nanotechologie Benötigt werden Trägermaterial: Template (Schablone) Lichtaktive Nanomaterialien: Quantenpunkte, fluoreszieren bei im Licht Katalysator: erniedrigt die Hemmschwelle für die Lichtreaktion Quantenpunkte Anorganische Katalysatoren gegenüber den organischen Katalysatoren stabiler und weitgehend unempfindlich gegen Zerstörung durch Sauerstoff und Licht HIFA Consult München Seite 16

17 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 Lichtantenne Epitaxie Quelle: Wikipedia Anorganische Katalysatormoleküle: lagern sich selbstorganisierend auf den Halbleiter- Atomen an HIFA Consult München Seite 17

18 Lichtantennen als Anode und Kathode 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 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 HIFA Consult München Seite 18

19 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 HIFA Consult München Seite 19

20 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 20

21 Wasserstoff H 2 zu Methangas CH 4 Wasserstoff kann mit CO 2 zu CH 4 (Methan) umgesetzt werden (Sabatier-Verfahren, ca.60% bzw. 95% Wirkungsgrad) Katalysator 4 H 2 + CO 2 CH H 2 0 Sonnengas 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 HIFA Consult München Seite 21

22 Synthese von Treibstoffen aus Sonnengas Sonnenlicht Photonen Biogas CCS Aminwäsche Luft Elektrodialyse CO Polyole PU Polycarbonat Bayer Material Science (DE) Novomer (USA) 2 H 2 O Fotokatalyse H 2 Methanisierung zu CH 4 Kat H 2 O GTL (O 2 ) Synthesegas CO + H 2 Kat Kat Fischer-Tropsch Kat PE Benzin Ethylen Methanol Wachse Benzine Dimethylether Essigsäure Ethylen Propylen Benzin PVA PE, PP HIFA Consult München Seite 22

23 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 HIFA Consult München Seite 23

24 Solare Wasserstofferzeugung: 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 H 2 Generator System Wasserstoff-Erzeugung auch aus verschmutztem Wasser Schutz vor Korrosion durch spezielle Polymerbeschichtung PEDOT:PSS Kurz vor Markteinführung ODB-TEC (Neuss) TiO 2 + TiO 2 /Pt-System, pat. marktreif Ca.1% Wirkungsgrad Anlage Solare H2-Erzeugung Quelle: HyperSolar HIFA Consult München Seite 24

25 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 25

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