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Stofflicher Speicher
BMBF
Solare Wasserstofferzeugung 3.10.2016

Die Abbildung zeigt ein am Fraunhofer ISE hergestelltes HyCon-6er-Modul, dass unter realen Bedingungen getestet wurde.
© Fraunhofer ISE

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“ war daher eine radikale

Systemvereinfachung mithilfe eines neuartigen, integrierten Ansatzes.

Damit wollten die Forscher bisher unerreichte Umwandlungseffizienzen von

Sonnenlicht in Wasserstoff über 20 Prozent erreichen.

Projektstatus Projekt beendet
Projektlaufzeit Dezember 2013 bis September 2016

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.

  • Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung des HyCon-Konzeptes. © G. Peharz, F. Dimroth, and U. Wittstadt
  • Mit diesem am Fraunhofer ICT verwendeten Rotating-Disk-Electrode-Aufbau wird unter anderem die Aktivität und Stabilität der Katalysatoren untersucht. © Fraunhofer ICT
  • Dargestellt ist der am Fraunhofer ISE gebaute Teststand für HyCon-Elektrolysezellen. © Fraunhofer ISE
  • Poren- und Fasergrößenverteilung der 3D Geometrie: Das Spektrum der Porengrößen hat sein Maximum bei circa 110 µm und reicht bis zu 370 µm Porendurchmesser. © IMTEK Freiburg
  • Das Foto zeigt ist eine Elektrolysehalbzelle, die aus PVC Material hergestellt wurde.
  • Gezeigt ist ein unter Konzentration befindliches HyCon-6er-Modul im Feldtest. © Fraunhofer ISE
  • HyCon-Modul-6er-Modul unter Konzentration © Fraunhofer ISE
  • Die Abbildung zeigt ein am Fraunhofer ISE hergestelltes HyCon-6er-Modul, dass unter realen Bedingungen getestet wurde. © Fraunhofer ISE

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.

Projektphasen bis November 2015

Das Projekt befindet sich in der ersten Phase, in der ein Gesamtkonzept entwickelt wird und die ersten Zielkosten für die Hauptkomponenten definiert werden.  Folgende Meilensteine sollen im Projekt erreicht werden:

  • Projektmonat 9: Systemanalyse wird erstellt und erste Zielkosten für die Hauptkomponenten des HyCon-Systems werden definiert.
  • Projektmonat 16: GaInP/GaInAs Tandemkonzentratorsolarzellen für ersten Prototyp werden im Labor hergestellt und charakterisiert. Beginn der Entwicklung einer optimierten Multi-junction Solarzellenstruktur für das finale HyCon-Design
  • Projektmonat 16: Materialien (Membran, Elektrode) für ersten Prototypen werden charakterisiert und sind verfügbar. Erste Materialcharakterisierungen der optimierten Eigenschaften für Demonstrator haben begonnen.
  • Projektmonat 19: Simulation der HyCon-Einzelzelle sind abgeschlossen.
  • Projektmonat 27: Aus Degradationsuntersuchungen werden verbesserte Lebensdauer an optimierten Materialien nachgewiesen.
  • Projektmonat 32: Finales HyCon-System wird fertiggestellt und befindet sich in Erprobung und Charakterisierung (Feldtest).
  • Projektmonat 33: Detaillierte Kostenanalyse für HyCon-System ist abgeschlossen, inkl. Bewertung des zukünftigen Potenzials dieser Technologie.

Teilvorhaben

Die Herstellung und Charakterisierung von Membran-Elektroden-Einheiten, Elektrolysezellen und III-V Solarzellen wird vom Fraunhofer ISE/ICT durchgeführt. Die Solarzellen sollen dabei hinsichtlich der Stromausbeute optimiert werden. Hinsichtlich der Elektrolysezellen sollen insbesondere kostengünstige und langzeitstabile Katalysatormaterialien synthetisiert und bezüglich ihrer Aktivität und Stabilität untersucht werden. Darüber hinaus soll ein Gesamtkonzept zur idealen Abstimmung der einzelnen Komponenten aufeinander entwickelt und ein Demonstrator-Modul gefertigt werden. Das Modul soll unter realen Bedingungen am Standort Freiburg getestet werden.

Das zweite Teilvorhaben umfasst die 3-dimensionale geometrische Rekonstruktion von einzelnen Komponenten. Aus der 3D-Probengeometrie sollen bestimmte Materialparameter extrahiert werden, die in eine Systemsimulation der HyCon-Zelle bzw. des -Modul einfließen. Dafür ist das IMTEK Freiburg zuständig.

In dem dritten Teilvorhaben werden vom ICVT Stuttgart neue langzeitstabile Polymere und Membranmaterialien entwickelt. Der Herstellungsprozess soll dabei möglich kostengünstig sein, um die Gesamtsystemkosten zu minimieren. Um die Langzeitstabilität der Materialien zu überprüfen, sollen aussagekräftige ex-situ- und in-situ-Charakterisierungsmethoden entwickelt werden.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

22. August 2017
Intersolar South America

12. September 2017
Energiespeicher & Energieeffizienz 2017

21. September 2017
Elektromobilität im ÖPNV

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Projektadressen

Ansprechpartner
Weitere Adressen

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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.