Ökonomische Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe von kubischem Siliciumcarbid – 3C-SiC Photokatalyse
Projektdurchführung
The Yellow-SiC Development GmbH Technologiepark AdlershofSchwarzschildstr. 1
12489 Berlin
Zielsetzung
Um die Energiewende erfolgreich zu gestalten und zügig voranzubringen, sind große Anstrengungen notwendig. Insbesondere sind Lösungen gefragt, die ausgesprochen ökonomisch sind. Der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien gehört die Zukunft. Jedoch gibt es nach wie vor eine Reihe von Bereichen, die aktuell noch von fossilen Energieträgern abhängig sind, wie beispielsweise die Eisen- und Stahlerzeugung oder auch Teile des Verkehrssektors wie Schiffs-, LKW- und Flugverkehr. In all diesen Bereichen stellt grüner Wasserstoff eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen dar. Die Industrie unterstützt diesen Kurs: Turbinenbauer rüsten ihre Produkte ebenso auf Wasserstoffbetrieb um, wie Stahlunternehmen ihre Hochöfen. Automobilbauer forcieren die Entwicklung von Brennstoffzellenantrieben und beteiligen sich am Aufbau eines Tankstellennetzes. Und der Chemieverband VCI erklärt den Einsatz von grünem Wasserstoff zur THG-Minderung in seiner Roadmap 2050 für „alternativlos“.
Die Herstellung von grünem Wasserstoff ist aktuell noch sehr kostenintensiv und kann wirtschaftlich mit fossilen Brennstoffen nicht konkurrieren. Derzeit werden weltweit nur rund 1 % des Wasserstoffs mittels Elektrolyse hergestellt. Im Vergleich dazu liegt der Anteil des aus Erdgas reformierten Wasserstoffs bei 41 %, gefolgt vom durch Schweröl gewonnenen Wasserstoff mit 21 %.
Es ist daher dringend notwendig, elektrolytische Herstellungsverfahren insbesondere für grünen Wasserstoff wirtschaftlicher zu machen.
Hier setzt das geplante Projekt an. An der Uni Paderborn ist es durch jahrelange Forschungsarbeit gelungen, ein neues Verfahren für die Herstellung von kubischem Siliciumcarbid (3C-SiC) zu entwickeln, das deutliche Kostenvorteile bei der Erzeugung von Wasserstoff verspricht. Das wegen seiner gelben Farbe „Yellow-SiC“ genannte 3C-SiC hat gegenüber dem hexagonalen Siliciumcarbid enorme Vorteile, sowohl hinsichtlich seiner technischen Eigenschaften, als auch der Herstellungskosten. Im geplanten Projekt sollen Yellow-SiC beschichtete Elektroden für die Wasserstoffelektrolyse entwickelt werden. Diese 3C-SiC-Elektroden sollen im Ergebnis leistungsfähiger, langlebiger und günstiger in der Herstellung sein als bisher am Markt übliche Produkte. Auf Grundlage dieser Ergebnisse soll ein neues System der Wasserstoff-Photokatalyse entwickelt werden, welches einen weitaus höheren und damit wirtschaftlichen und marktfähigen, Wirkungsgrad aufweist als aktuelle Systeme.
Arbeitsschritte
Die Umsetzung des Lösungskonzepts erfolgt in zwei Arbeitspaketen, welche nachfolgend dargestellt werden.
In den Vorarbeiten des Projekts wurde bereits eine Elektrode aus dem 3C-SiC Material entwickelt, welche eine Effizienz von rund 12 % aufweist. Damit liegt man heute auf einem grundsätzlich marktfähigen Niveau. Als junges und neues Unternehmen wäre ein Markteintritt aber mit zu hohen Markteintrittskosten verbunden, um gegen Wettbewerber bestehen zu können. Daher strebt das Unternehmen eine weitaus höhere Effizienz an, um mit einen signifikanten Marktvorteil einen rascheren und erfolgreicheren Markteintritt erreichen zu können. Zurzeit werden weitere Vorarbeiten zur Erhöhung der Effizienz durchgeführt.
Bei den aktuellen Arbeiten steht die Materialoptimierung im Fokus. Ziel ist es, durch Auswahl von unterschiedlichem CFK-Plattenmaterial und anschließender Umwandlung in 3C-SiC Material die Oberfläche der Elektroden zu maximieren und damit die Leistungsfähigkeit weiter zu erhöhen. Die Maximierung der Oberfläche muss dabei mit einer größtmöglichen Stabilität der Elektroden in Einklang gebracht werden.
In den Vorversuchen wurde/wird immer nur eine Elektrode in der Wasserelektrolyse zur Ergebnis-ermittlung verwendet. Auf den gewonnenen Erkenntnissen setzt nun das Projekt auf. Im ersten Schritt sollen mit Hilfe geeigneter Dotierungen (p, n) beide Elektroden in der Wasserelektrolyse durch 3C-SiC-Material ersetzt werden können. Dies ist wichtig für die später notwendige Weiterentwicklung zu einer Doppel¬elektrode in der Photokatalyse, die dort aus bautechnischen Gründen der Photokatalyse¬zelle notwendig ist.
AP 1 Dotierung der Elektroden - Zeitrahmen 6 Monate
- Dotierung (n, p)
- Analyse der erreichten Dotierung hinsichtlich Leitfähigkeit und Elektrolyseverhalten in nanokristallinen 3C-SiC-Fasern und amorphen 3C-SiC-Fasern
Im Zentrum des AP 2 steht das technische Design der Photokatalysezelle, zunächst ohne IR-Nutzung. Neben der Ausgestaltung der Zellbauteile steht auch die weitere Optimierung der 3C-SiC- Elektroden durch entsprechende Dotierung im Mittelpunkt.
AP 2 Design SiC-Photokatalysezelle - Zeitrahmen 12 Monate
- Technisches Design der Zelle
- Materialauswahl (Gehäuse, Elektroden, Leitungen etc.)
- Montage und Einsatz in Laboranlage
- Weitere Optimierung der Elektroden durch entsprechende Dotierung
- Analyse der Flüssigkeits- und Gasströme
- Analyse der Testergebnisse
- Optimierung der technischen Auslegung auf Basis der Forschungsergebnisse
Ergebnisse
In AP 1 wurden beide Elektrodenmaterialien, auch unterschiedlicher Hersteller, parallel bearbeitet.
Es wurden unterschiedliche mikroporöse 3C-SiC-Elektroden optimiert, die für die photogenerierten Ladungsträger sehr kurze Wege zur Oberfläche sicherstellen und gleichzeitig die Lichtabsorption in der vollen Tiefe ermöglichen. Im Vergleich zu planaren Schichten vergrößert sich mit diesen mikroporösen Elektroden die aktive Oberfläche um mehr als einen Faktor 200. Experimentell hat sich ergeben, dass eine Akzeptordotierung von 1016 bis 1017 At./cm3 ein guter Kompromiss ist, um eine ausreichende Elektrodenleitfähigkeit zu gewährleisten. Eine höhere Dotierung führt wieder zu einer deutlichen Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer. Als p-Dotierelement wurde Aluminium gewählt, da hier im Vergleich zu Bor keine parasitären elektrischen Effekte auftreten. Für die Reduktion der Stickstoffdotierung bedeutet dies, dass diese unter 1016 bis 1017 At./cm3 liegen muss. Diese Grenze konnte durch Optimierungen bei der SiC-Herstellung unterschritten werden. Die erfolgreiche Dotierung und Elimination ungewollter Dotierungen wurde mit verschiedenen Messmethoden kontrolliert. Restverunreinigungen wurden mittels GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry) bis in den sub-ppm-Bereich ermittelt, die kristalline Struktur mit XRD (X-Ray Diffraction) kontrolliert, optische Eigenschaften mit Raman-Spektroskopie sowie mit optischer Absorption untersucht. Um die elektrischen Eigenschaften zu optimieren und das Elektrolyseverhalten zu optimieren, wurden Kennlinien der Einzelelektroden und des Gesamtsystems mit Elektrolyt, mit und ohne Beleuchtung gemessen. Die Gasentwicklung wurde in-situ mit entsprechenden Sensoren untersucht. Die Qualität der Dotierung wurde auch in AP 2 fortgesetzt, so dass innerhalb dieser Projektlaufzeit die p- und n-Dotierung für pn-Übergänge nutzbar wird. Mit einem pn-Übergang wird eine effektive Trennung der solarinduzierten Ladungsträger gewährleistet und damit eine Rekombination der Ladungsträger verhindert.
Schwerpunkt in AP 2 ist das technische Design der Photokatalysezelle im Labormaßstab. Im Rahmen diese AP wurde die Auswahl der Zellmaterialien wie z. B. Dichtungen, Gehäuse und optischer Zugang getroffen. Aus dem Laboreinsatz konnte eine finale modulare Konstruktion gewonnen werden, die es in der Elektrodenentwicklungsphase auch erlaubt, den lichtinduzierten Strom zwischen der dotierten SiC-Elektrode und der Gegenelektrode zu messen.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Antragstellerin steht im regelmäßigen Austausch mit diversen Forschungseinrichtungen und industriellen Partnern, um einerseits weitere Forschungsmöglichkeiten zu ermitteln (insbesondere Kooperationsvorhaben) und andererseits industrielle Anwendungen anzubahnen und das industrielle Anwendungsspektrum potentiellen Abnehmern zu vermitteln.
Fazit
Die elektrischen Eigenschaften der dotierten 3C-SiC-Elektroden sind sehr vielversprechend, allerdings stehen noch Langzeituntersuchungen für eine abschließende Beurteilung einer Eignung als Ersatzelektroden für die Elektrolyse aus. Hinsichtlich der Photokatalyse beginnen nach den überzeugenden anfänglichen Erfolgen umfangreiche Optimierungsarbeiten, um eine konkurrenzfähige Elektrolyse allein durch Sonnenlicht zu erreichen.