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Continuous-flow Photoelectrochemical Cells for Carbon Dioxide Valorization

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Durchbruch bei solaren Brennstoffen verspricht ein neues industrielles Zeitalter

Die Technologie für solare Brennstoffe könnte eines Tages in der Lage sein, Kohlendioxid – eines der wichtigsten Treibhausgase – in einen wertvollen industriellen Rohstoff zu verwandeln. Das könnte uns dabei helfen, die Umstellung von fossilen Brennstoffen hin zu einer echten Kreislaufwirtschaft zu bewältigen.

Energie

Unsere auf fossilen Brennstoffen aufgebaute Wirtschaft ist nicht nachhaltig. Die Erzeugung von Energie und Chemikalien aus Öl und Erdgas stößt jährlich mehrere Milliarden Tonnen Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre aus und trägt somit zum Klimawandel bei. Um den Übergang zu einer Wirtschaft zu ermöglichen, die auf dem Kreislaufprinzip und dem Grundsatz der Nachhaltigkeit basiert, müssen wir dringend alternative Technologien entwickeln, mit denen wir aus erneuerbaren Energiequellen schöpfen können. Diese Technologien müssen nicht nur umweltfreundlich sein, sondern auch im industriellen Maßstab funktionieren und zugleich wirtschaftlich tragfähig sein. Die Erzeugung von solaren Brennstoffen und Chemikalien ist in diesem Zusammenhang ein vielversprechender Forschungsbereich. Dabei werden Moleküle wie CO2 mithilfe von künstlichem oder natürlichem Licht in energiereiche Chemikalien umgewandelt. Wenn diese Technologie eines Tages im industriellen Maßstab umsetzbar wäre, könnte sie dazu beitragen, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu beenden und CO2 in einen wertvollen Rohstoff zu verwandeln.

Identifikation geeigneter Prototypen

Das Projekt PEC_Flow, das vom Europäischen Forschungsrat finanziert wurde, baute auf einer früheren Initiative mit dem Namen HybridSolarFuels auf. Diese umfasste die Entwicklung von Photoelektroden, die dazu dienen, CO2 in chemische Stoffe wie Ameisensäure, Kohlenmonoxid, Methanol und Ethanol zu konvertieren. PEC_Flow wollte diese Forschung weiterentwickeln. Konkret verfolgte es das Ziel, die technologisch effizientesten und wirtschaftlich tragfähigsten photoelektrochemischen Zellen zu identifizieren, mit denen sich Chemikalien auf kontinuierlicher Basis herstellen lassen. Wenn das gelingt, könnte dies für diesen so entscheidenden Forschungsbereich richtungsweisend sein. „Für diese Arbeit verglichen wir unterschiedliche Arten von photoelektrochemischen Zellen“, erklärt Csaba Janáky von der Universität Szeged in Ungarn, der PEC_Flow koordiniert. „Wir wollten sie nicht nur unter technologischen und wissenschaftlichen Gesichtspunkten, sondern auch aus wirtschaftlicher Perspektive bewerten.“ Janáky und sein Team erfassten daher Daten und Analysen zu unterschiedlichen Arten von Zellen. Nach einer gründlichen Prüfung kristallisierten sich aus vier verschiedenen Zellkonfigurationen zwei bestimmte heraus. Anschließend erfolgte eine umfassende technoökonomische Analyse. Das Team ging dabei auf verschiedene Aspekte wie das Markt- und Investitionspotenzial ein. „Zum Schluss blieb eine Konfiguration übrig“, so Janáky. „Bei diesem Prototyp wurde die Solarzelle vom Elektrolyseur entkoppelt. Unsere Erkenntnis war, dass sich diese Lösung, unter Berücksichtigung des gegenwärtigen Stands der Technik, möglicherweise als wirtschaftlich deutlich wettbewerbsfähiger erweisen könnte als eine integrierte Lösung.“

Industrieverfahren der Zukunft

Die Ergebnisse des Projekts PEC_Flow deuten somit darauf hin, dass die Entkopplung der Photovoltaikzelle vom Elektrolyseur gegenwärtig die praktikabelste Möglichkeit darstellt, um industriell tragfähige solargestützte Technologien zur Umwandlung von CO2 zu entwickeln. Zudem trug das Projekt zur Identifizierung der Wissens- und Technologielücken bei, die es zu überwinden gilt, um eines Tages effiziente integrierte photoelektrochemische Zellen zu ermöglichen. „Das ist vor allem wichtig, da wir in den nächsten Jahrzehnten mehrere parallele Technologien zur CO2-Nutzung brauchen werden“, merkt Janáky an. Solche Fortschritte in der Technologie der solaren Brennstoffe könnten eines Tages für viele Sektoren von großem Nutzen sein. So könnte beispielsweise die chemische Industrie, die erhebliche Emissionen verursacht, photoelektrochemische Systeme nutzen, um CO2 abzuscheiden und in nützliche Produkte umzuwandeln. Als nächstes ist vorgesehen, diesen Entkopplungsansatz gemeinsam mit Industriepartnern näher auszuarbeiten und schrittweise zur Marktreife zu führen. „Dafür müsste ein Prototyp in kleinerem Maßstab gebaut werden, der sich dann entsprechend hochskalieren ließe“, fügt Janáky hinzu. Außerdem wird die Grundlagenforschung vertieft werden, um Möglichkeiten zur Bewältigung der wissenschaftlichen und technologischen Engpässe zu finden, die bei der Entwicklung von integrierten photoelektrochemischen Zellen bestehen.

Schlüsselbegriffe

PEC_Flow, solar, Solarzellen, Brennstoff, CO2, Treibhausgas, fossile Brennstoffe, Energie, chemische Stoffe, Chemikalien, Nachhaltigkeit

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