Über 95 Prozent des weltweiten Wasserstoffs stammen aus fossilen Quellen. Forscher aus Cambridge haben nun erstmals einen ein Quadratmeter großen Solarreaktor im Freien betrieben, der aus Plastikmüll ohne fossile Energie Wasserstoff erzeugt.
Die weltweite Produktion von Wasserstoff basiert zu über 95 Prozent auf fossilen Energieträgern oder fällt lediglich als Nebenprodukt petrochemischer Prozesse an. Ein Forscherteam der University of Cambridge hat nun einen vielversprechenden Lösungsansatz unter realen Bedingungen im Freien erprobt. Ein großflächiger Photoreaktor mit einer aktiven Gesamtfläche von einem Quadratmeter wurde dafür unter natürlichem Sonnenlicht betrieben.
Das System nutzt ein kostengünstiges und stabiles, mit Aluminium dotiertes Strontiumtitanat als Lichtabsorber, um schwer recycelbare Feststoffabfälle aufzuwerten. Als Rohstoff dienen gewöhnliche PET-Flaschen oder Zellulose, die nach einer unkomplizierten chemischen oder enzymatischen Vorbehandlung eingesetzt werden. Die Herstellung der benötigten Katalysatorplatten erfolgt komplett ohne komplexe Hochtemperatur-Glühprozesse oder den Zusatz von klassischen Bindemitteln.
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Wasserstoff aus Plastikmüll: Die Ergebnisse aus der Praxis
Während der an verschiedenen Tagen durchgeführten Experimente im englischen Cambridge betrug die durchschnittliche natürliche Lichtintensität jeweils 0,5 bis 0,6 Sonnen. Trotz dieser moderaten Bedingungen erwärmte sich die Oberfläche des Reaktors allein durch die Sonneneinstrahlung auf über 30 Grad Celsius.
Nach einer Laufzeit von sechs Stunden erreichte die Wasserstoffausbeute einen Wert von 5,24 Millimol pro Quadratmeter bei der Nutzung von Glukose und 1,51 Millimol pro Quadratmeter bei vorbehandelter Zellulose. Neben dem begehrten Gas entstanden im Außenreaktor auch wertvolle organische Stoffe wie Format und Acetat.
Auf reiner Katalysator-Gewichtsbasis erzeugten die innovativen, sprühbeschichteten Platten im mittleren Maßstab 2.870 ± 780 Mikromol pro Gramm und Stunde an Wasserstoff. Im Vergleich dazu schafften die traditionell im Labor gegossenen Platten unter gleichen Bedingungen lediglich 630 ± 69 Mikromol pro Gramm und Stunde.
Herausforderungen und wirtschaftliche Aussichten
Trotz der Erfolge zeigt die technologische Entwicklung im größeren Maßstab noch deutliche Hürden auf. Beim Vergrößern des Systems von der winzigen Laborzelle auf eine mittlere Skala sank die flächenspezifische Produktionsrate um rund 50 Prozent.
Zudem drosseln komplexe Abbaupfade die Reaktionskinetik, während unvollständig abgebauter Zellulosemüll die aktiven Zentren des Katalysators blockiert und ein erhebliches Auslaugen des Kobalts nach 22 Stunden Betriebszeit gemessen wurde.
Die technoökonomische Analyse beziffert die Kosten bei einer Wiederverwendung der Trägerplatten auf 0,93 Pfund pro Millimol, während sie ohne Wiederverwendung auf bis zu 7,44 Pfund steigen. Der leitende Forscher Erwin Reisner betonte die Dringlichkeit einer Skalierung für die praktische Anwendung:
Wenn wir unseren Umgang mit den beiden Problemen – Plastikverschmutzung und saubere Energieerzeugung – wirklich ändern wollen, müssen wir einen sehr skalierbaren Weg zur Herstellung dieser Photokatalysatormaterialien und Reaktoren entwickeln – und zeigen, dass sie im Freien tatsächlich funktionieren.
Zukünftige Systemgenerationen müssen daher auf Katalysatoren setzen, die das sichtbare Lichtspektrum besser ausnutzen. Zudem wird laut Sensitivitätsanalyse der Einsatz von Solarkonzentratoren sowie die Entwicklung stabilerer Systeme entscheidend sein, um eine Produktion zu wettbewerbsfähigen Kosten zu erzielen.
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