Ganzheitlicher, sektorenübergreifender Ansatz
Die angestrebte Transformation der Energieversorgung einer Industrienation wie die der Bundesrepublik Deutschland, von Bezugsquellen auf fossiler Basis hin zu einer regenerativen und erneuerbaren Basis, verknüpft die notwendige Reduktion des Ausstoßes von Treibhausgasen mit der Reduktion der Abhängigkeit von Energie- und Rohstoffimporten. Ein solches Energie- und Wirtschaftssystem ist gleichermaßen nachhaltig wie resilient. Dies verlangt jedoch völlig neue Energieerzeugungs- und Energiespeichersysteme sowie eine ganzheitliche Betrachtung über die einzelnen Energieformen hinaus, so dass durch (lokale) Sektorkopplung eine Effizienzsteigerung der Gesamtenergiebilanz erreicht werden kann. In Py-Pho-Hybrid-Energy sollen erstmals Materialien und Methoden entwickelt werden, auf deren Grundlage smarte Module hergestellt werden können. Diese Module sollen die Gewinnung und Umwandlung der Sonnenenergie sowohl in Form des chemischen Langzeitspeichers Wasserstoff als auch in die per se entstehende thermische Energie (Wärme) ermöglichen. Die auf diese Weise massive Erhöhung der Gesamtenergiebilanz soll darüber hinaus noch gesteigert werden, in dem auch die gezielte Umwandlung in elektrische Energie erfolgen kann.
Halbleiter-Ferroelektrika-Hybridmembranen zur innovativen H2-Erzeugung
Aktuelle Systeme zur Herstellung von grünem Wasserstoff aus Sonnenenergie kombinieren Photovoltaikmodule mit Elektrolyseuren, so dass 2 voneinander unabhängige Prozesse separat stattfinden – die Umwandlung von solarer in elektrischer Energie und anschließend deren Nutzung zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Bei der Photokatalyse hingegen wird zur Wasserstoffherstellung das Sonnenlicht direkt verwendet. Dies bietet natürlich den Vorteil der erhöhten Systemintegration, ist aber zum jetzigen Zeitpunkt in seinem Wirkungsgrad viel zu gering. Eine wesentliche Ursache hierfür ist in einer ineffizienten Trennung der optisch angeregten Ladungsträger, Elektronen und Löcher, zu finden. Um die Separation der Elektronen und Löcher zu erhöhen und gleichzeitig diese zur Oberfläche des Photokatalysators zu zwingen, werden in Py-Pho-Hybrid-Energy erstmals pyroelektrische Felder ausgenutzt. Hierzu werden innovative Hybridmembranen so synthetisiert, dass die photokatalytische Halbleiterphase neben einer ferroelektrischen Phase vorliegt. Nach einer Polarisation der ferroelektrischen Phase wird über ein Temperaturgradient ein pyroelektrisches Feld erzeugt, welches ebenfalls die Halbleiterphase durchdringt und so eine Ladungsträgertrennung initiiert. Zur Erzeugung des notwendigen thermischen Gradienten wird der Spektralbereich des Sonnenlichtes verwendet, der zur Photokatalyse ungeeignet ist. Auf diese Weise wird im Vergleich zur Photovoltaik, aber auch zu bisher bekannten Photokatalysatoren das nutzbare Sonnenspektrum massiv erweitert, da die absorbierte thermische Strahlung anschließend auch als Wärmequelle verwendet werden kann. Der somit stark erhöhte Gesamtwirkungsgrad lässt sich noch zusätzlich steigern und gezielt anpassen, indem die gespeicherte thermische Energie mit Hilfe des inversen pyroelektrischen Effektes der ferroelektrischen Phase in elektrische Energie umgewandelt wird.
Bau eines Phy-Pho-Hybrid-Energy-Moduls als Prototyps zur Potentialabschätzung
In Py-Pho-Hybrid-Energy werden nicht nur verschiedene Membrankonzepte und -designs verfolgt und charakterisiert, sondern es soll auch der erste Prototyp eines Moduls realisiert werden. An diesem werden charakteristische Kennwerte bestimmt, über die sich mit Hilfe einer Modulierung das Potential abschätzen lässt, speziell im Hinblick auf die sektorübergreifende Gesamtenergiebilanz. Auf dieser Basis werden Konzepte für eine mögliche Verwertung z.B. durch eine Ausgründung erstellt. Die wesentliche Forschungsarbeit findet in der AG Optical excited (Nano-)Hybridsystems am Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena statt. Darüber hinaus bestehen Kooperation zu assoziierten Partnern vom Center for Energy and Environmental Chemistry Jena und der Ernst Abbe Hochschule Jena, um die notwendige Breite der Forschungsarbeit zu gewährleisten.
