Verbundprojekt »Neo-PEC«

Innovative Wasserstoff-Technologie – »Neo-PEC«

Günstig, grün, Neo-PEC – Fraunhofer fördert innovative Wasserstoff-Technologie

Auf der Suche nach Energiequellen der Zukunft, die CO2-Emissionen reduzieren und trotzdem eine stabile Energieversorgung bereitstellen, kommt dem Wasserstoff eine Schlüsselrolle zu. Ein Tandem-Modul soll künftig Wasserstoff kostengünstig und sauber erzeugen und dabei beliebig skalierbar sein. So wird eine dezentrale Wasserstoffversorgung möglich und der Energieträger kann dann bedarfsgerecht weitertransportiert werden. Im Modul wird Wasser direkt fotokatalytisch gespalten (engl.: Photo Electro-Catalytic (PEC) Water Splitting) in Wasserstoff und Sauerstoff. Diese neuartige Technologie kommt ohne teure Elektrolyseure aus, arbeitet mit einem signifikant höheren Wirkungsgrad statt der bisher üblichen 1 %. Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung eines 1 m² großen Demonstrators. Dieser ist so konzipiert, dass über eine Modulbauweise sehr große Flächen realisiert werden können – ideal für eine dezentrale Wasserstoffversorgung und bedarfsorientiertem Weitertransport. Für dieses 3-jährige Projekt »Neo-PEC« werden 3,4 Millionen € im Rahmen des Fraunhofer-internen Förderprogramms PREPARE bereitgestellt.

 

Kosten senken und Wirkungsgrad erhöhen mit innovativem Modulkonzept

Bislang wird solarer Wasserstoff in Elektrolyseuren von Photovoltaikanlagen erzeugt. Dabei wird Wasser unter Nutzung der Sonnenenergie in Wasserstoff elektrolytisch zerlegt. Doch solche Elektrolyseure sind teuer. Die direkte fotokatalytische Wasserspaltung lässt sich wesentlich wirtschaftlicher betreiben, da sie ohne Elektrolyseure auskommt. Zudem ist sie aufgrund der geringen Systemkomplexität zuverlässiger und kaum wartungsanfällig. Allerdings liegt der aktuelle Wirkungsgrad bei knapp unter 1 %: zu wenig, um konkurrenzfähig zu sein. Ziel des Fraunhofer-Forschungsteams ist es, durch den Einsatz neuer Materialien, weiterentwickelter Beschichtungsverfahren und eines neuen Modulkonzepts, den Wirkungsgrad signifikant zu erhöhen – damit wäre diese Technologie PV-Anlagen in Bezug auf Lebenszykluskosten und Ökobilanz wirtschaftlich überlegen.

 

Neue Materialien und Beschichtungsverfahren für Tandem-Modul

Kern der Neuentwicklung ist ein Tandem-PEC-Modul. In einer Tandemzelle wird eine transparente Trägerplatte auf beiden Seiten mit unterschiedlichen, halbleitenden Materialien beschichtet. Trifft das Sonnenlicht darauf, wird das kurzwellige Licht auf der einen Seite (Anode) absorbiert. Gleichzeitig dringt das langwellige Licht durch diese obere Schicht und wird auf der Umkehrseite (Kathode) aufgenommen. Dabei wird auf der Kathodenseite Wasserstoff und auf der Anodenseite Sauerstoff freigesetzt. Im Projekt wird dieses Verfahren nun optimiert. »Um wettbewerbsfähig zu konventionellen Wasserstofferzeugungstechnologien zu sein, muss der Wirkungsgrad des Verfahrens erhöht werden. Dafür entwickeln wir neue, hochreine Halbleitermaterialien, die mit einem schonenden Beschichtungsverfahren aufgebracht werden. Dadurch kann das bisherige Problem der Defektdichte der Materialien deutlich reduziert und somit die Wasserstoffausbeute erhöht werden. Dieses sogenannte Neo-PEC-Tandem ist in beliebig skalierbare Module integrierbar und somit attraktiv für die großindustrielle Produktion von grünem Wasserstoff«, erklärt Projektkoordinator Dr. Michael Arnold, Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Funktionswerkstoffe des Fraunhofer IKTS.

Das Projekt im Überblick

Laufzeit 2020 – 2023
Koordinator Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dr. Michael Arnold
Projektpartner Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Fördergeber Fraunhofer-Gesellschaft
Projektbudget 3,4 Mio. Euro
Ziel Entwicklung eines Tandem-Moduls zur Gewinnung von grünem Wasserstoff

Drei Fraunhofer-Institute vereinen im Verbundprojekt »Neo-PEC« ihre Kompetenzen:

  • Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS:
    • Entwicklung der Pulver- und Dickschichtmaterialien für die fotoaktive Schicht
  • Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST: 
    • Großflächenbeschichtung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD)
  • Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP:
    • Konzeption, Fertigung und anschließende Evaluierung skalierbarer Module