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Zwei bekannte, reichlich vorhandene und kostengünstige Materialien finden neues Leben in der Energiespeicherung im Netzmaßstab und in nachhaltigen Wasserspaltungstechnologien.
Die Entdeckung neuer Materialien ist ein vorrangiges Unterfangen bei der Umstellung unserer globalen Energieinfrastruktur von fossiler auf erneuerbare Energie. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dieses Paradigma durch die Wiederentdeckung alter Materialien, die eine groß angelegte Stromspeicherung und Wasserstofferzeugung ermöglichen – zwei Grundlagen der Energiewende – auf den Kopf gestellt werden kann
Einer von ihnen, der frühere Herausgeber der Zeitschrift Nature, Philip Ball, sagte: „Ein Durchbruch ist eine vielversprechende Entdeckung, und dann beginnt die harte Arbeit.“ Jeder Wissenschaftler, der einen Durchbruch erlebt hat – sei es beabsichtigt oder zufällig – weiß, wie aufregend die Entdeckung ist und wie aufregend es ist, dieses Wissen mit der Gemeinschaft zu teilen. Doch dies ist nur der erste Schritt auf dem oft jahrzehntelangen Weg zur technischen Praxistauglichkeit.
Natürlich möchte man den Kreislauf von der Entdeckung zur Technologie so schnell wie möglich einleiten und abschließen. Der Reiz, den Prozess zu beschleunigen, sei es durch menschlichen Einfallsreichtum, Glück oder künstliche Intelligenz, um auf irgendeine Weise als Erster die Ziellinie zu erreichen, ist unwiderstehlich.
Der Trick besteht jedoch darin, dass manchmal Materialien, die zur Lösung großer und wichtiger Probleme benötigt werden, nicht erst entdeckt werden müssen; Sie existieren als verborgene Schätze, die darauf warten, wiederentdeckt zu werden. Zwei dieser jüngsten Fälle von Altmaterialien scheinen mit hoher Wahrscheinlichkeit Auswirkungen auf die groß angelegte, kostengünstige Netzspeicherung von Strom und die Produktion von goldenem Wasserstoff zu haben.
Beispiele für dieses Konzept der Wiederentdeckung von Materialien sind metallisches Eisen und ein Halbleiter namens Siliziumkarbid, beides gut dokumentierte, reichlich vorhandene, kostengünstige und ungiftige Feststoffe. Obwohl es sich um „alte“ Materialien handelt, haben sie es kürzlich zwei Spin-off-Unternehmen ermöglicht, die Leistungsmetriken von zu skalieren und zu bewerten eine praktische Eisen-Luft-BatterieUnd ein Siliziumkarbid-Solarwasserspalterbzw.
Stromspeicherung im Netzmaßstab und Wasserstoff aus Sonnenlicht
Die Eisen-Luft-Batterie wird von der Firma Form Energy entwickelt und zielt auf die ganzjährige Stromspeicherung im Netz ab. Das Gerät arbeitet mit einem Eisen-Eisenoxid-Redox-Zyklus, ist vollständig erneuerbar, widerstandsfähig, kostengünstig und kann große Mengen Strom über viele Tage hinweg stabil speichern.
Das erste kommerzielle Produkt verfügt über eine Stromspeicherkapazität von 100 Stunden bei Gesamtsystemkosten, die mit denen herkömmlicher Kraftwerke konkurrieren. Aufgrund seiner hohen Masse und langsamen Zykluszeit ist es zwar für Elektrofahrzeuge ungeeignet, aufgrund seiner hohen Kapazität jedoch ideal für die Stromspeicherung im Netzmaßstab.
Die erste großvolumige Produktionsanlage für Eisen-Luft-Batterien von Form Energy befindet sich in West Virginia, USA. Sie erneuern ein bestehendes Stahlwerk, das voraussichtlich mehr als 750 Mitarbeiter beschäftigen und bei voller Betriebskapazität 500 Megawatt Batterien pro Jahr herstellen wird.
Auch der gelbe Siliziumkarbid-Halbleiter zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser und Sonnenlicht wird mittlerweile in großem Maßstab von der Yellow SiC-Gruppe hergestellt. Um bei der Wasserspaltung in Wasserstoff gut zu funktionieren, muss das Material eine sehr hohe Reinheit aufweisen (weniger als 1 ppm Verunreinigungen) und in der kubisch-polymorphen Form von Siliziumkarbid vorliegen.
Die elektronischen Bandeigenschaften dieser Art von Siliziumkarbid sind der Schlüssel zum Erfolg. Konkret beträgt die elektronische Bandlücke 2,36 eV. Diese Energie liegt nahe an der idealen Bandlücke von 2,03 eV, die die lichtunterstützte Wasserspaltungseffizienz eines einzelnen Halbleitermaterials maximiert. Darüber hinaus überbrückt die elektronische Bandstruktur dieses Siliziumkarbids perfekt die Oxidations- und Reduktionspotentiale von Wasser, eine Voraussetzung für die Erzeugung von Sauerstoff bzw. Wasserstoff, was es insbesondere für die solare Wasserspaltung ohne externe Vorspannung ideal macht.
Dies macht dieses „alte“ Material zum perfekten Kandidaten für die ungestützte (stromlose) photokatalytische Produktion von Wasserstoff aus Wasser und Sonnenlicht. Obwohl nur wenige Katalysator- und Gerätedetails verfügbar sind, scheint es sich bei dem solaren photokatalytischen Wasserstoffproduktionsmodul um eine einfache, drahtlose Schichtstruktur zu handeln, die aus einem dünnen Film aus gelbem Siliziumkarbid besteht, der als positive Anode fungiert, wo das Wasser Sauerstoff und Protonen bildet. Das Siliziumkarbid ist mit einer negativen Metallkathode verbunden, wo die am Siliziumkarbid erzeugten Elektronen und Protonen zusammenkommen, um Wasserstoff zu erzeugen. Um die Wasserspaltungsreaktion abzuschließen, müssen die Protonen von Anode und Kathode diffundieren, eine Aufgabe, die offenbar durch eine protonenleitende Membran erleichtert wird.
Dieses einfache Gerät ist für Solar-Wasserstofffabriken auf Dächern vorgesehen. Im Betrieb ermöglicht es die stromlose, stabile Produktion der grünsten Form von Wasserstoff, des sogenannten goldenen Wasserstoffs, direkt aus Wasser und Sonnenlicht. Die geschätzten Kosten belaufen sich auf 0,75–2,00 $/kg Wasserstoff, abhängig vom geografischen Standort und davon, wie viele Stunden am Tag die Sonne scheint. Diese Kosten scheinen gelbes Siliziumkarbid zum Material der Wahl für die Herstellung von goldenem Wasserstoff zu machen, im Vergleich zu grünem Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser unter Verwendung erneuerbarer elektrischer Energie, dessen Kosten im Jahr 2022 auf 0,48–6,71 US-Dollar/kg geschätzt werden.
Die Moral dieser Geschichte besteht nicht darin, die Entdeckung neuer Materialien bei der Suche nach der Entwicklung nachhaltiger Energietechnologien zu ersetzen, um zur Lösung der heutigen Probleme des Klimawandels beizutragen. Vielmehr geht es darum, ständig auf die Möglichkeit zu achten, dass noch viele alte Materialien wiederentdeckt werden müssen und dieselben Ziele erreichen oder verbessern können.
Geschrieben von: Geoffrey Ozin
Solar Fuels Group, University of Toronto, E-Mail: [email protected], Website: http://www.solarfuels.utoronto.ca
Bildnachweis des Beitrags: Javier Miranda auf Unsplash
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