Solarstrom spaltet Wasser und Kohlendioxid

Synthesegas – ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid – ist für die chemische Industrie von zentraler Bedeutung. Sowohl für die Massenproduktion von Methanol als auch von Ammoniak ist es unverzichtbar. Meist wird aus Kohle oder Erdgas erzeugt – über Prozesse, bei denen große Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen. Sehr viel klimafreundlicher kann Synthesegas mit Sonnenenergie gewonnen werden. Wissenschaftler haben dazu ein ausgeklügeltes Elektrolyse-Verfahren entwickelt, das sie in der Fachzeitschrift „Advanced Science“ präsentieren.

Aufbau einer Zelle, die von oben mit Licht bestrahlt wird.
Neues Verfahren mit Elektrolysezelle

„Mit unserem Verfahren wird Sonnenlicht effizienter genutzt als von den meisten Solarzellen“, sagt Stuart Licht von der George Washington University. Es basiert auf einer Kopplung von zwei Elektrolyse-Prozessen, bei denen einerseits Wasser- und andererseits Kohlendioxid-Moleküle aufgespalten wurden. Bei der elektrolytischen Spaltung von Wasser entstanden Wasserstoff und Sauerstoff, Kohlendioxid ging ebenfalls in Sauerstoff und Kohlenmonoxid über. Für diese Reaktionen nutzten Licht und Kollegen elektrischen Strom, der von einer hocheffizienten Konzentrator-Solarzelle erzeugt wurde.

In ihrem Synthesegas-Reaktor verwendeten die Forscher allerdings kein reines Wasser oder Kohlendioxid. Für einen möglichst hohen Wirkungsgrad gingen sie den Umweg über geschmolzene Salze. In der ersten Elektrolyse-Kammer heizten sie Lithiumkarbonat auf 950 Grad auf und ließen durch zwei Elektroden einen Strom mit einer Spannung von 1,25 Volt fließen. Dabei wurde Kohlenmonoxid und Sauerstoff freigesetzt. Das zurückbleibende Lithiumoxid konnte danach wieder durch Aufnahme des Treibhausgases Kohlendioxid zu Lithiumkarbonat regeneriert werden. Die zweite Elektrolyse-Kammer füllte Licht mit einer Mischung aus Lithiumhydroxid und Natriumhydroxid. Aufgeheizt auf 300 Grad setzte bei einer Spannung von 1,42 Volt die Elektrolyse ein, bei der Wasserstoff und Sauerstoff entstand.

Über diese gekoppelte Elektrolyse konnten die Bestandteile von Synthesegas – Wasserstoff und Kohlenmonoxid – allein mit dem Strom aus einer Solarzelle erzeugt werden. Zum Aufheizen der Salzschmelzen ließ sich zudem der Anteil an Wärmestrahlung im Sonnenlicht nutzen. „So konnten wir das gesamte Sonnenlichtspektrum in unserem Prozess einsetzen“, sagt Licht. In ihrem Labor mussten die Forscher allerdings zusätzlich elektrisch heizen, um die hohe Temperatur von 950 Grad zu erreichen. Mit stark konzentriertem Sonnenlicht, das etwa in Solarturmkraftwerken einen Kristallblock auf über 1000 Grad aufheizen kann, könnte diese Hitze in Zukunft ebenfalls klimaneutral erreicht werden.