Kompakte Kraftwerke für grünen Wasserstoff

Pojedynczy moduł autonomicznego reaktora tandem PEC. © Fraunhofer IKTS / Pojedynczy moduł niezależnego reaktora tandem PEC. © Fraunhofer IKTS

Wodór wytwarzany za pomocą energii słonecznej mógłby w przyszłości zastąpić szeroko paliwa kopalne i przyczynić się do obniżenia emisji CO2. W ramach projektu Neo-PEC eksperci z Fraunhofer opracowali tandemowy moduł, który autonomicznie i bezpiecznie produkuje zielony wodór za pomocą energii słonecznej.

W celu przyjaznej dla klimatu transformacji procesów przemysłowych, wodór jest kluczowym punktem wyjścia. Nośnik energii, który spala się bez emisji CO2, powinien jednak powstawać możliwie bez śladu węglowego. Klasyczną metodą jest elektroliza, podczas której woda jest rozkładana na wodór i tlen przy użyciu prądu. Jeśli prąd do elektrolizy pochodzi ze źródeł odnawialnych, takich jak fotowoltaika, powstaje zielony wodór. Wadą jest to, że elektrolizery potrzebne do tego procesu są zazwyczaj duże i bardzo skomplikowane. Ponadto, urządzenia te są kosztowne i wymagają dużej konserwacji, co w obecnych warunkach światowej i klimatycznej polityki jest rzadkością.

Wytwarzanie wodoru ze słońca

Ekscytującą alternatywą jest bezpośrednia fotowoltaiczna rozkładanie wody, angielski photoelectrochemical cell (PEC). W ramach projektu Neo-PEC naukowcy z trzech instytutów Fraunhofer opracowali tutaj modułowe rozwiązanie, które umożliwia bardzo elastyczną produkcję i dostawę wodoru za pomocą energii słonecznej.

Rdzeniem rozwoju Fraunhofer jest tandemowy moduł PEC. Podobny jest do swojego klasycznego odpowiednika – fotowoltaicznego – z tą różnicą, że prąd nie jest generowany po to, by później elektrolyzować w innym miejscu. Cały proces odbywa się w jednej jednostce. Należy jednak zachować ostrożność: ponieważ w procesie powstaje wodór i tlen, konstrukcja musi być tak zaprojektowana, aby te dwa elementy były ściśle od siebie oddzielone i utrzymywane w odrębnych przestrzeniach.

W przypadku tandemu, fachowcy pokrywają zwykłe szkło float lub płaskie szkło warstwami półprzewodnikowych materiałów z obu stron. Pod wpływem promieniowania słonecznego jedna strona modułu absorbuje promieniowanie krótkofalowe. Jednocześnie długofalowe światło przenika przez górną warstwę szkła i jest absorbowane na stronie odwrotnej. W tym procesie na stronie katody lub odwrotnej stronie modułu powstaje wodór, a na stronie anody – tlen.

Naukowcy z Fraunhofer badali i rozwijali przez trzy lata wysokiej czystości materiały półprzewodnikowe, które nanosili za pomocą delikatnych metod powlekania. Dzięki temu mogą zwiększyć wydajność procesu produkcji wodoru.

„Na poziomie fazy gazowej nakładamy nanometrowe warstwy na szkło. Struktury powstałe w ten sposób mają duży wpływ na aktywność reaktora, oprócz właściwości samego materiału, które również zoptymalizowaliśmy” – wyjaśnia dr Arno Görne, kierownik grupy funkcjonalnych materiałów do hybrydowych mikrosystemów w Instytucie Technologii Ceramicznych i Systemów IKTS. Połączone elementy fotowoltaiczne w module dostarczają systemowi dodatkowe napięcie: działa jak turbo, które przyspiesza aktywność i dodatkowo zwiększa sprawność.

Kwadratowy, praktyczny – bezpieczny

W efekcie powstaje reaktor o aktywnej powierzchni pół metra kwadratowego. Oddzielony od tlenu, produkuje wodór, który można natychmiast zebrać i zmierzyć. Obecnie pojedynczy moduł przy europejskim nasłonecznieniu generuje ponad 30 kilogramów wodoru rocznie na 100 metrów kwadratowych. Taki plon mógłby na przykład pozwolić na przejechanie samochodem wodorowym od 15 do 20 tysięcy kilometrów.

„W rozmiarze tandemu ogranicza nas fakt, że nasz moduł rozkłada wodę bezpośrednio, ale musi też przepływać prąd z jednej strony na drugą. W miarę powiększania powierzchni modułu, rosnące opory mają niekorzystny wpływ na system. Na obecnym etapie, ten format okazał się optymalny. Jest stabilny, wytrzymały i znacznie większy od wszystkich porównywalnych rozwiązań” – podkreśla Görne. Kompaktowe elementy można łączyć bez negatywnych skutków, zgodnie z potrzebami, od pojedynczego modułu po rozległe obszary – to istotna zaleta rozwiązania Fraunhofer.

Łączenie kompetencji

Projekt jest również udanym przykładem współpracy międzyinstytutowej i łączenia uzupełniających się kompetencji Fraunhofer: w ramach kończącego się projektu badano materiały i procesy dla warstwy fotoaktywnej w IKTS. Zespół z Instytutu Technologii Warstw i Powłok IST wniósł swoje doświadczenie w zakresie powlekania powierzchni metodami fizycznej osadzania w fazie gazowej. Projekt reaktora, korzystna i niezawodna produkcja oraz późniejsza ocena modułów leżały w rękach ekspertów z Centrum Fotowoltaiki Krzemowej CSP.

Partnerzy projektu już wielokrotnie udowodnili, że moduł i jego połączenia działają stabilnie i bezproblemowo podczas licznych testów terenowych. Jednak zespoły Fraunhofer, które w czerwcu po raz pierwszy z powodzeniem zaprezentowały swój reaktor na targach Achema 2024 we Frankfurcie, planują już kolejne kroki: z jednej strony chcą kontynuować udaną współpracę instytutową w kolejnym projekcie, z drugiej zaś planują rozwijać swoje rozwiązanie we współpracy z firmami w różnych kierunkach – dla bezpośredniej, bezpiecznej i efektywnej lokalnej produkcji i dostawy wodoru.