Sonnenenergie direkt in Wasserstoff umwandeln
Bisher werden bei der solaren Wasserstofferzeugung PV-Module über eine Gleichstromanpassung mit einer zentralen Elektrolyseeinheit gekoppelt. Ziel des Verbundprojektes „HyCon“ ist daher eine radikale Systemvereinfachung mithilfe eines neuartigen, integrierten Ansatzes. Dazu werden in einem Konzentratormodul höchsteffiziente III-V-Mehrfachsolarzellen direkt mit einer Elektrolysezelle verbunden. Damit wollen die Forscher bisher unerreichte Umwandlungseffizienzen von Sonnenlicht in Wasserstoff über 20 Prozent erreichen.
Unter Einsatz von regenerativ erzeugtem Strom kann Wasserstoff durch die elektrolytische Wasserspaltung CO2-neutral erzeugt werden. In konventionellen Systemen der solaren Wasserstofferzeugung werden PV-Module über eine Gleichstromanpassung mit einer zentralen Elektrolyseeinheit gekoppelt. Nachteile dieses Ansatzes sind der relativ komplexe Systemaufbau und die hohen Investitionskosten. Durch die resultierenden hohen Wasserstoffgestehungskosten konnte sich deshalb diese Technologie bisher nicht durchsetzen. Zielsetzung dieses Verbundprojektes ist daher eine radikale Systemvereinfachung: Höchsteffiziente III-V Mehrfachsolarzellen werden in einem Konzentratormodul direkt mit einer Elektrolysezelle verbunden. Auf diese Weise lassen sich bisher unerreichte Umwandlungseffizienzen von Sonnenlicht in Wasserstoff mit mehr als 20 Prozent erreichen.
Gegenstand der Forschung
Umwandlungseffizienz von über 20 Prozent
Am Fraunhofer ISE wird seit über 20 Jahren an effizienten Verfahren der solaren Wasserstofferzeugung geforscht. Bedingt durch die erheblichen Fortschritte im Bereich III-V Solarzellen für kommerzielle terrestrische Anwendungen stehen nunmehr Solarzellen zur Verfügung, die grundsätzlich für diesen innovativen Technologieansatz geeignet sind. In internen Vorlaufarbeiten konnte mit ersten Labor-Aufbauten die technische Machbarkeit nachgewiesen werden. Dabei wurden bereits Rekordwerte von 18 Prozent für die Umwandlungseffizienz des Sonnenlichts in Wasserstoff erreicht. Die Umwandlungseffizienz soll im Rahmen dieses Projekts auf über 20 Prozent gesteigert werden.
Die Breite der hier gestellten Forschungsaufgaben - von grundlegenden Fragestellungen der Materialforschung bis hin zu kompletten Systemlösungen - verlangt nach einer interdisziplinären Zusammenarbeit von universitären und außeruniversitären Partner. Das Projektkonsortium setzt sich dabei aus dem Fraunhofer ISE und ICT, dem IMTEK Freiburg und dem ICVT Stuttgart zusammen.
Basierend auf bereits existierenden Modellen zur Analyse der Kosten von PV-Systemen und Elektrolyseuren wird ein kombiniertes Kostenmodell für ein HyCon-Modell aufgestellt. Es ermöglicht einen sogenannten "Cost break down" zur Berechnung der Material- und Herstellungskosten von Komponenten des HyCon-Systems und die erlaubt darüber hinaus die Ermittlung der Wasserstoffgestehungskosten.
Weitere Informationen zum Projekt finden Sie hier.
Gegenstand der Forschung
- Entwicklung eines optimierten Systemdesigns durch Einsatz von Simulationstools zur Analyse einer passiven Wasserzufuhr und des Gasabtransports
- Optimale Abstimmung der beiden Teilsysteme, Photovoltaik und Elektrolyse, durch die Entwicklung neuer III-V Mehrfachsolarzellen, deren Charakteristik an die Kennlinie des Wasserstoffgenerators optimal angepasst ist
- Verifizierung der Ergebnisse an einem nachgeführten HyCon Konzentrator-System unter realistischen Bedingungen
- Entwicklung und Anpassung von Materialien und Komponenten wie Membran, Elektroden und Flowfieldplatten an die speziellen Anforderungen der solaren Wasserstofferzeugung, bei gleichzeitiger Reduktion der Herstellungskosten und einer geforderten extrapolierten Lebensdauer der Komponenten von > 40.000 h
- Analyse und Identifikation der entscheidenden Degradationsmechanismen in der elektrolytischen Zelle unter dem Gesichtspunkt der fluktuierenden Sonneneinstrahlung
Umwandlungseffizienz von über 20 Prozent
Am Fraunhofer ISE wird seit über 20 Jahren an effizienten Verfahren der solaren Wasserstofferzeugung geforscht. Bedingt durch die erheblichen Fortschritte im Bereich III-V Solarzellen für kommerzielle terrestrische Anwendungen stehen nunmehr Solarzellen zur Verfügung, die grundsätzlich für diesen innovativen Technologieansatz geeignet sind. In internen Vorlaufarbeiten konnte mit ersten Labor-Aufbauten die technische Machbarkeit nachgewiesen werden. Dabei wurden bereits Rekordwerte von 18 Prozent für die Umwandlungseffizienz des Sonnenlichts in Wasserstoff erreicht. Die Umwandlungseffizienz soll im Rahmen dieses Projekts auf über 20 Prozent gesteigert werden.
Die Breite der hier gestellten Forschungsaufgaben - von grundlegenden Fragestellungen der Materialforschung bis hin zu kompletten Systemlösungen - verlangt nach einer interdisziplinären Zusammenarbeit von universitären und außeruniversitären Partner. Das Projektkonsortium setzt sich dabei aus dem Fraunhofer ISE und ICT, dem IMTEK Freiburg und dem ICVT Stuttgart zusammen.
Basierend auf bereits existierenden Modellen zur Analyse der Kosten von PV-Systemen und Elektrolyseuren wird ein kombiniertes Kostenmodell für ein HyCon-Modell aufgestellt. Es ermöglicht einen sogenannten "Cost break down" zur Berechnung der Material- und Herstellungskosten von Komponenten des HyCon-Systems und die erlaubt darüber hinaus die Ermittlung der Wasserstoffgestehungskosten.
Weitere Informationen zum Projekt finden Sie hier.