Perspektiven für die Entwicklung der Solar-Wasserstoff-Energie

Der traditionelle Prozess der Verbrennung organischer Brennstoffe, der die Grundlage für die Gewinnung von Wärme- und Stromenergie bildet, ist eine der Hauptursachen für die Luftverschmutzung durch für Mensch und Umwelt schädliche Stoffe. Darüber hinaus führt dies zu einem Anstieg des Treibhausgasgehalts in der Atmosphäre, was wiederum zu einem Anstieg der globalen Temperatur auf dem Planeten führt. Somit kommt es zwangsläufig zu Veränderungen des Klimas, der Lebensräume verschiedener Tierarten, der Waldgrenzen, der Permafrostzonen usw. [1]. Im Jahr 2018 verursachte der Klimawandel mehr als 300 Naturkatastrophen (93 % davon waren Stürme, Waldbrände, Nahrungsmittelknappheit und Dürren), von denen mehr als 68 Millionen Menschen betroffen waren. und verursachte einen enormen wirtschaftlichen Schaden in Höhe von rund 131,7 Milliarden US-Dollar [2]. Ein weiteres, ebenso wichtiges Problem sind die begrenzten Reserven an herkömmlichen Brennstoffen und der stetige Anstieg ihres Verbrauchs. Eine weitere Erschöpfung der fossilen Ressourcen wird schrittweise zu einer Verteuerung dieser Ressourcen führen, was letztlich neue Probleme für die Entwicklung von Industrie und Gesellschaft mit sich bringen wird. Solche Herausforderungen haben ein großes Interesse an erneuerbaren Energiequellen (RES) geweckt, die eine Lösung für die aufgetretenen Probleme darstellen können. Gleichzeitig müsste der weltweite Anteil erneuerbarer Energiequellen im Hinblick auf die Erreichung der CO2-Neutralität den Prognosen der Forscher zufolge zwischen 2018 und 2050 von 14 auf 74 Prozent steigen.

Betrachtet man die erneuerbaren Energien insgesamt, lassen sich fünf Hauptgruppen unterscheiden: Solarenergie, Wasserkraft, Windenergie, Geothermie und die Nutzung von Biokraftstoffen. Gleichzeitig weisen Anlagen, die auf Basis solcher Primärenergie genutzt werden, eigene Betriebseigenschaften auf, die unter anderem durch ihren Standort bestimmt werden [3]. Aus praktischer Sicht kann allein die Nutzung der Sonnenenergie den Bedarf der Menschheit an elektrischer und thermischer Energie vollständig decken, was diesen Bereich der erneuerbaren Energien zu dem vielversprechendsten für die Forschung macht [4].

Im Kontext der Menschheit stellt die Sonne eine kostenlose und unerschöpfliche Energiequelle dar. Derzeit entwickelt sich dieser Zweig der erneuerbaren Energien rasant (Abb. 1) [2].

Betrachtet man nur die Erzeugung von Solarstrom durch Photovoltaik-Konverter, so lassen sich zwei Haupttrends in der Entwicklung dieser Technologie feststellen: die Senkung der Kosten für Solarzellen (um eine größere Wettbewerbsfähigkeit zu erreichen) und die Steigerung der Betriebseffizienz (um die Gesamtabmessungen der Anlagen und die Kosten des Solarenergiesystems zu reduzieren) [5]. Der derzeit am weitesten verbreitete Typ von Solarmodulen sind Silizium-Solarmodule – sie sind auf dem modernen Markt am weitesten verbreitet. Allerdings hat die Entwicklung der Solarenergie zur Entstehung einer großen Zahl anderer Solarzellentypen geführt, die je nach den bei ihrer Herstellung verwendeten Materialien üblicherweise in drei Generationen eingeteilt werden. Für eine weitere Beschreibung der bestehenden Klassifikation sei auf [6–9] verwiesen. Zur ersten Generation zählen monokristalline Silizium-Solarzellen, die sich leicht an ihrer gleichmäßigen Farbgebung und ihrer Form (rechteckige Zellen mit abgeschrägten Ecken) unterscheiden lassen. Ein anderer Typ sind polykristalline Platten, die aus vielen einzelnen Kristallen bestehen und ein rechteckiges Aussehen mit ungerundeten Kanten haben. Zu dieser Generation gehören auch Panels auf Galliumarsenidbasis; Sie sind effizienter, werden aber aufgrund der enthaltenen teuren, seltenen und giftigen Substanzen nicht häufig eingesetzt. Da die Herstellung von Silizium-Solarzellen jedoch eine relativ teure Technologie ist, begann man mit der Suche nach günstigeren Methoden zur Herstellung von Solarenergiekonvertern.

Die Lösung für dieses Problem waren Konverter der zweiten Generation, die verschiedene Arten von Dünnschicht-Solarzellen enthalten. Sie werden wiederum nach dem Photovoltaikmaterial klassifiziert, mit dem das Substrat beschichtet ist: Cadmiumtellurid (CdTe), amorphes Silizium (a-Si), Kupfer-Indium-Diselenid (CIS), Kupfer-Indium-Gallium-Selen (CIGS)-Solarzellen. Diese Solarmodule sind günstiger in der Herstellung, haben eine flexible Struktur und sind weniger anfällig für Schatten und erhöhte Temperaturen. Ihr Hauptnachteil ist jedoch der relativ geringe Wirkungsgrad, was zu verschiedenen Entwicklungen der dritten Generation von Solarzellen geführt hat.

Die dritte Generation umfasst Tandem-Solarmodule sowie neuere Arten von Konvertern wie Farbstoffsolarzellen. Quantenpunkt-Solarzellen; Perowskit-Solarmodule; organische Solarmodule; Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid-Solarzellen (CZTS). Die Entwicklungsaussichten dieser Generation hängen mit der Entwicklung einer langfristigen, wirtschaftlich rentablen Technologie für die großtechnische Stromerzeugung auf Basis umweltfreundlicher Materialien mit unbegrenztem Zugang zusammen. Ihre zahlreichen Vorteile lassen sich durch internationale Investitionen und Forschung rechtfertigen, die auf eine Steigerung der Effizienz, eine Kostensenkung und eine Ausweitung der Produktion im großen Maßstab abzielen. Aktuelle Forschungsergebnisse des US-amerikanischen National Renewable Energy Laboratory ermöglichen es, die Entwicklung aller oben beschriebenen Solarzellengenerationen von 1975 bis 2024 nachzuvollziehen. (Abb. 2) [8].

Aus Abb. 2 geht hervor, dass der Wirkungsgrad von Photovoltaik-Konvertern jedes Jahr steigt, während die Fläche der Module selbst abnimmt. Mehrfachsolarzellen weisen derzeit den höchsten Wirkungsgrad (über 48 %) auf. Darüber hinaus ist eine rasante Entwicklung neuartiger Photovoltaik-Konverter der dritten Generation (Emerging PV) zu beobachten. Die Integration erneuerbarer Energiequellen auf Basis solcher Geräte in das bestehende Stromnetz ist mit einer Reihe von Problemen verbunden, die gelöst werden müssen, um die Stabilität, Zuverlässigkeit und Effizienz seines Betriebs zu gewährleisten. Das Hauptproblem besteht darin, dass die Versorgung mit Solarenergie nicht konstant ist und daher die Leistung des Solarkraftwerks je nach Wetterbedingungen und anderen Faktoren stark schwanken kann. Zudem wird es umso schwieriger, die Stabilität des Energiesystems zu gewährleisten, je mehr erneuerbare Energiequellen in das Netz integriert werden.

Eine mögliche Lösung des identifizierten Problems könnte der Einsatz von Energiespeichersystemen und die Implementierung darauf basierender Kapazitätsreservierungsalgorithmen sein. Besonders hervorzuheben ist in diesem Bereich die Wasserstoffenergie, die ein großes Potenzial zur Lösung des Problems bietet.

Aufgrund seiner Vorteile als umweltfreundlicher Brennstoff wird Wasserstoff derzeit als Lösung zur Dekarbonisierung verschiedener Industrien in Betracht gezogen. Bei der Verbrennung entstehen keine Kohlendioxid-Emissionen, was es zu einem wichtigen Instrument für die Entwicklung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft macht. Darüber hinaus verfügt es über eine hohe Verbrennungswärme, die fast dreimal höher ist als die von Benzin, und ist leicht entflammbar [10]. Als „grüner“ Wasserstoff wird üblicherweise Wasserstoff bezeichnet, der mithilfe erneuerbarer Energiequellen auf Basis der Wasserelektrolyse hergestellt wurde. Diese Technologie trägt dazu bei, verschiedene Wirtschaftssektoren mit erneuerbaren Energiequellen zu verbinden, und die allgemeine Entwicklung alternativer Energien und ihrer Produktionstechnologien senkt schrittweise die Kosten für solchen „grünen“ Wasserstoff (Abb. 3) [11].

Trotz der hohen Kosten für die Herstellung von Wasserstoff als Kraftstoff [12] erfreut sich das Konzept der kombinierten Solar-Wasserstoff-Energie zunehmender Beliebtheit. Dieses System sieht vor, einen Teil der einfallenden Sonnenenergie in Wasserstoff umzuwandeln, mit der Möglichkeit, sowohl Sonnenenergie als auch gespeicherten Wasserstoff als Brennstoff zu nutzen. Der Vorteil dieser Methode liegt in der Möglichkeit der Zwischenspeicherung von Solarenergie zur Lastdeckung in sonnenarmen Stunden mittels der „Power-to-Gas“ (P2G)-Technologie [13]. Die P2G-Technologie nutzt die Umwandlung elektrischer Energie in chemisch gebundene Energie in Form eines gasförmigen Stoffes (meist Wasserstoff oder Methan), der im Gegensatz zu elektrischer Energie gut speicherbar und weiter nutzbar ist. Gleichzeitig ermöglicht diese Technologie, den Bedarf an Erdgas für verschiedene Verbrauchsanlagen zu reduzieren. Bemerkenswert ist, dass Methan auch aus angesammeltem Wasserstoff nach der Sabatier-Reaktion (Formel 1) gewonnen werden kann [14].

4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O

Im Rahmen der Entwicklung des Konzepts der Solar-Wasserstoff-Energie lassen sich einige erfolgreiche Projekte hervorheben, die in jüngster Zeit umgesetzt wurden. Dazu gehören: FH2R (Abb. 4, a) – die größte Wasserstoffproduktionsanlage in Japan (sie verfügt über eine 10-MW-Wasserstoffproduktionsanlage, die Solarmodule zur Stromerzeugung nutzt) und die Sinopec-Anlage in China (Abb. 4, b), die 600 Millionen kWh pro Jahr produzieren kann (unter Verwendung von Solarkraftwerken) [15].

Auch in Russland wird derzeit aktiv auf diesem Gebiet geforscht, allerdings mit einer leichten Schwerpunktverlagerung hin zur Nutzung von Primärenergie zur Wasserstoffproduktion. Laut Informationen, die am 17. April 2024 auf der Website der Zentralen Dispatcherstelle des Brennstoff- und Energiekomplexes veröffentlicht wurden, beabsichtigt die Russische Föderation, bis 2030 20 % des globalen Wasserstoffmarktes zu besetzen. Gleichzeitig wird berichtet, dass die wichtigsten Voraussetzungen für die Entwicklung der Wasserstoffenergie die Dekarbonisierung und der Übergang zu kohlenstofffreien Quellen sein werden. In diesem Zusammenhang spricht das russische Energieministerium von der Notwendigkeit, einheimische Technologien im Bereich der Wasserstoffenergie zu entwickeln und die Wettbewerbsfähigkeit der Wirtschaft des Landes im Rahmen der globalen Energiewende zu sichern. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Region Kaliningrad die Produktion von „grünem“ Wasserstoff unter Verwendung erneuerbarer Energien auf der Grundlage der Umwandlung von Windenergie geplant ist. Beachtenswert ist die Aussage von LUKOIL, das in der Region Krasnodar bis zu 13 Tonnen „grünen“ Wasserstoff pro Jahr produzieren will. Gleichzeitig wird nicht berichtet, welche Art von Energie hierfür verwendet wird [16]. Da die Solarenergie in der Struktur der Energiebilanz erneuerbarer Energiequellen unseres Landes nicht so weit entwickelt ist wie beispielsweise Wasser- oder Windenergie, ist es schwierig, eine bestehende großtechnische Produktion von „grünem“ Wasserstoff auf Basis von Solarenergie zu benennen, obwohl hierfür ein erhebliches technisches Potenzial besteht, ähnlich wie bei den zuvor betrachteten ausländischen Projekten. Diese Tatsache aktualisiert das Thema der vorliegenden Frage hinsichtlich der Zweckmäßigkeit der Kapazitätsreservierung von Photovoltaikanlagen im Rahmen der Produktion von „grünem“ Wasserstoff.

Ein typisches netzgekoppeltes Solar-Wasserstoff-Kombinationssystem (Abbildung 5) besteht aus einer Photovoltaikanlage, einem Wasserelektrolyseur, einem Wasserstoffgasspeichertank und einer Brennstoffzelle. Die Ausgänge der Photovoltaikanlage und der Brennstoffzellen sind mit Umrichtern verbunden, die den elektrischen Strom in die vom Verbraucher benötigte Form umwandeln. Überschüssige Photovoltaikenergie wird einem Elektrolyseur zugeführt, um „grünen“ Wasserstoff zu erzeugen, der dann in einem speziellen Drucktank zur Backup-Verwendung gespeichert wird. Das gespeicherte Wasserstoffgas wird dann von der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt, um den Lastbedarf in den Stunden zu decken, in denen keine PV-Stromerzeugung verfügbar ist. Um das Energiegleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch aufrechtzuerhalten, dürfen nur noch die Restlasten an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden, die nicht durch die Produktion erneuerbarer Energien aus Photovoltaikanlagen und Brennstoffzellen gedeckt werden. Somit kann die vorgeschlagene kombinierte Konfiguration die Sicherheit des Energieverbrauchs und die Zuverlässigkeit des Stromnetzbetriebs gewährleisten und gleichzeitig das Versorgungsvolumen mit grüner Energie erhöhen und den Bedarf an Strombeschaffung aus dem Netz reduzieren [17].

Ein Beispiel für ein autonomes kombiniertes Solar-Wasserstoff-System ist in Abb. 6 dargestellt. Tagsüber stehen dem Haushalt als Stromquellen Solarenergie aus einer Photovoltaik-Solarzellenanlage und Energie aus einem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung, der während des Betriebs Wasserstoff aus einem Wasserstofftank verbraucht. Wasserstoff wird mithilfe eines Elektrolyseurs erzeugt, wenn Sonnenenergie zur Verfügung steht. Nach Sonnenuntergang bleibt in diesem Fall der Brennstoffzellenstapel die einzige verfügbare Energiequelle in einem solchen Hybridsystem [18].

Ein erfolgreiches Projekt in dieser Richtung ermöglicht bereits eine 100% autarke Energieversorgung eines Wohngebäudes [19]. Das gesamte Dach des Gebäudes ist mit Photovoltaikmodulen mit einer installierten elektrischen Leistung von 20 kW und einem Jahresertrag von etwa 20 kWh bedeckt. Die im Sommer in Form von Wasserstoff gespeicherte elektrische Energie wird im Winter von Brennstoffzellen verbraucht. Wasserstoff wird in speziellen Tanks unter einem Druck von 32 Bar gespeichert. Im Ergebnis ermöglichte ein solches System die Gewährleistung einer vollständigen Autonomie des Wohngebäudes.

Derzeit besteht ein zunehmendes Interesse an erneuerbaren Energiequellen, was mit dem Wunsch erklärt wird, die Produktion von Energiekapazitäten zu dekarbonisieren und den Anteil des Verbrauchs von Kohlenwasserstoffressourcen zu reduzieren. Die Analyse zahlreicher Informationsquellen hat gezeigt, dass die Solarenergie unter den verschiedenen erneuerbaren Energiequellen eine hohe Entwicklungsrate aufweist und die Kosten für die Stromerzeugung mit Photovoltaikanlagen jährlich sinken und sich allmählich denen der Wasserkraft annähern. Diese Erfolge sind maßgeblich auf die technische Optimierung der Photovoltaik-Technologien zurückzuführen, die es ermöglichte, den Wirkungsgrad von Photovoltaik-Konvertern deutlich auf fast 49 % zu steigern.

Im Zusammenhang mit der Lösung des Problems der Reserveleistung von Photovoltaikanlagen und der Umorientierung auf die immer beliebter werdende Wasserstoffenergie, deren Entwicklungsstrategie von vielen Ländern der modernen Welt gebilligt wird, kommt der Nutzung von Wasserstoff als Energiespeichermethode eine große praktische Bedeutung zu. Eine Analyse derartiger Pilotprojekte lässt die Feststellung zu, dass die Idee der Wasserstoff-Backup-Technologie nicht nur eine theoretische Grundlage hat, sondern auch praktische Anwendung findet. Der wichtigste limitierende Faktor sind derzeit die Kosten für die Implementierung solcher Lösungen.