Kompakte Kraftwerke für grünen Wasserstoff

Egyéni modul egy önálló tandem PEC reaktorhoz. © Fraunhofer IKTS / Egyéni modul egy önálló tandem PEC reaktorhoz. © Fraunhofer IKTS

A nap erejével előállított vízanyagból származó hidrogén a jövőben messzemenően helyettesítheti a fosszilis energiaforrásokat, és hozzájárulhat a CO2-kibocsátás csökkentéséhez. A Neo-PEC közös projektben a Fraunhofer szakemberei egy tandem-modult fejlesztettek ki, amely önállóan és biztonságosan termel napenergiával előállított, zöld hidrogént.

A klímabarát ipari folyamatok átalakításának központi eleme a hidrogén. Egy olyan energiaátvivő, amely égés közben nem szabadít fel CO2-t, lehetőség szerint akkor is keletkezzen, ha nincs szén-dioxid lábnyoma. Egy hagyományos módszer erre az elektrolízis, amely során víz elektromos áram segítségével hidrogénre és oxigénre bomlik. Ha az elektrolízishez használt áram megújuló forrásokból, például napelemekből származik, akkor zöld hidrogén keletkezik. A hátrány: az ehhez szükséges elektrolízis berendezések általában nagyok és rendkívül összetettek. Emellett a költséges és karbantartásigényes eszközök, különösen a jelenlegi globális és klímavédelmi helyzetben, hiánycikké váltak.

Napelemes vízhasadás

Izgalmas alternatívát kínál a közvetlen napenergia alapú vízhasadás, angolul photoelectrochemical cell (PEC). A Neo-PEC közös projektben három Fraunhofer intézet kutatói egy moduláris megoldást fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi a rendkívül rugalmas hidrogén-előállítást és -ellátást napenergia felhasználásával.

A Fraunhofer fejlesztés központi eleme egy tandem-PEC modul. Hasonló a hagyományos fotovoltaikus panelhez – egy lényeges különbséggel: az áram nem későbbi elektrolízishez készül, hanem az egész folyamat egy egységben zajlik. Fontos azonban óvatosnak lenni: mivel a folyamat során hidrogén és oxigén keletkezik, a szerkezetet úgy kell kialakítani, hogy ezek az elemek szigorúan elkülönítve keletkezzenek és maradjanak.

A tandemcellához a szakemberek kereskedelmi forgalomban kapható lebegő- vagy lapos üveg mindkét oldalát félvezető anyagokkal vonják be. Napfény hatására az egyik oldal, a modul egyik része elnyeli a rövid hullámhosszú fényt. Ugyanakkor a hosszú hullámhosszú fény áthatol a felső üveg rétegen, és a fordított oldalon kerül elnyelésre. Ekkor a modul a fordított vagy katód oldalon hidrogént, a felső, anód oldalán oxigént szabadít fel.

A Fraunhofer tudósai hároméves kutatás és fejlesztés során magas tisztaságú félvezető anyagokat állítottak elő, amelyeket különösen kímélő bevonási eljárásokkal vittek fel. Ezáltal növelni tudják a folyamat hidrogénkimenetét.

„A gázfázisban nanométer vastagságú rétegeket építünk fel az üvegre. A kialakuló struktúrák nagy hatással vannak a reaktor aktivitására, emellett az anyag tulajdonságait is optimalizáltuk,” magyarázza Dr. Arno Gönne, a funkcionális anyagok csoportvezetője a hibrid mikrorendszerekhez a Fraunhofer Kerámia Technológiák és Rendszerek Intézetében (IKTS). A modulban összekapcsolt fotovoltaikus elemek további feszültséget biztosítanak a rendszer számára: ez olyan, mint egy turbó, amely felgyorsítja az aktivitást és növeli a hatásfokot.

Négyzet alakú, praktikus – biztonságos

Az eredmény egy olyan reaktor, amelynek aktív felülete fél négyzetméter. A oxigéntől elkülönítve termeli a hidrogént, amely azonnal összegyűjthető és mérhető. Jelenleg egyetlen modul európai napfény mellett évi több mint 30 kilogramm hidrogént termel 100 négyzetméter területen. Ezzel például egy hidrogén-üzemű autó 15-20 ezer kilométert tehet meg.

„A tandemcellák méreteiben az a korlát, hogy a modul közvetlenül osztja fel a vizet, de ehhez az egyik oldalról a másikra kell áramnak jutnia. Ahogy növekszik a modul felülete, a növekvő ellenállások kedvezőtlenül hatnak a rendszerre. A jelenlegi formátum bizonyult optimálisnak: stabil, strapabíró és jóval nagyobb, mint minden összehasonlítható megoldás,” hangsúlyozza Gönne. A kompakt elemek a szükséglet szerint könnyen összekapcsolhatók, akár egyetlen modul, akár nagyobb területek esetén – ez a Fraunhofer megoldás egyik fő előnye.

Szakértelem összekapcsolása

A projekt jó példája az intézményközi együttműködésnek és a kiegészítő Fraunhofer kompetenciák összekapcsolásának: a most záruló projekt keretében az IKTS anyagokat és folyamatokat kutatott a fotokémiai réteghez. A Fraunhofer Szilícium-Fotovoltaika Központ (CSP) szakemberei a modulok gyártási folyamatát, a felületkezelést és az értékelést végezték. A modulok stabil működését számos terepi teszt igazolta. Azonban a júniusi Achema 2024 kiállításon elsőként bemutatott reaktoruk további lépéseket tervez: egyrészt folytatni kívánják a sikeres intézményi együttműködést, másrészt a megoldásukat különböző vállalatokkal együttműködve fejlesztik tovább – a közvetlen, biztonságos és hatékony decentralizált hidrogén-előállítás és -ellátás érdekében.