Rekordeffizienz bei Photoreaktoren zur H2-Gewinnung aus Abwasser

2021 startete das Projekt Solarreaktor mit einer Vision: grünen Wasserstoff (H₂) aus Abwasser unter direkter Nutzung der Sonne produzieren. Im Fokus stand die Weiterentwicklung eines photoelektrochemischen (PEC) Prozesses zur Steigerung der Solar-to-Hydrogen-(STH)-Effizienz, welche den Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie beschreibt, der direkt in chemische Energie in Form von Wasserstoff umgewandelt wird. Sie dient als zentrale Kenngröße für die Leistungsfähigkeit von solaren Photoreaktoren.

Technologische Entwicklungen: Neue Materialien & Reaktordesign

Das Projektkonsortium setzte auf mehrere technologische Innovationen. An der TU Wien wurden neuartige Photoanoden entwickelt, die – im Gegensatz zu herkömmlichen, ausschließlich UV-aktiven Materialien – auch sichtbares Licht effektiv nutzen können. Diese konnten erfolgreich skaliert und in ein innovatives Reaktordesign integriert werden. Der von AEE INTEC entwickelte „Oscillatory Flow Solar Reactor“ kombiniert einen zylindrischen solaren Photoreaktor mit oszillierender Strömungsführung, wodurch der Energie- und Stofftransport und somit die Prozesseffizienz gesteigert werden soll.

Validierung unter realen Bedingungen

Um den Reaktor unter realen Bedingungen zu testen, wurde im Projekt ein mobiler Outdoor-Teststand entwickelt. In Versuchen im Sommer /Herbst 2024 konnte der Reaktor erstmals unter natürlicher Sonneneinstrahlung validiert werden. Dabei wurden STH-Effizienzen (Solar-to-Hydrogen-Effizienzen) von 1,5 bis 2 % erreicht – ein Meilenstein für photochemische Prozesse unter realen Bedingungen (im Vergleich erreichen PEC-Prozesse, unter kontrollierten Laborbedingungen, lt. Literatur meist 3-4%). Die H₂-Produktionsraten pro Stunde lagen dabei bei bis zu 0,4 g/h.m² Elektrodenfläche. Besonders hervorzuheben: Die oszillierende Strömung erhöhte die Wasserstoffausbeute um bis zu 50 % im Vergleich zu Versuchen ohne Oszillation. Zudem wurden im Projekt die kombinierte Abwasserbehandlung und H₂-Produktion getestet. Es wurden gezielt spezifische, teils schwer abbaubare Komponenten ausgewählt – darunter EDTA aus der Papier- und Zellstoffindustrie – und in Modellabwässern mit unterschiedlichen Konzentrationen (100–1.000 mg/L) getestet. Die Ergebnisse zeigten eine positive Auswirkung auf die H₂-Produktion: Mit steigender Konzentration nahm auch die H₂-Ausbeute zu.

Weichenstellung für die Zukunft: Wissenstransfer und Vernetzung

Das Projekt Solarreaktor war das erste geförderte österreichische Forschungsprojekt zur kombinierten Abwasserreinigung und H₂-Gewinnung mittels Solarenergie. Es lieferte wertvolle Erkenntnisse zur Material- und Reaktorentwicklung, die bereits in Folgeprojekte einfließen – etwa in das Projekt DESIRED, das auf CO₂-Reduktion zur Herstellung von C2+-Produkten zielt. Zudem koordiniert Österreich unter der Leitung von AEE INTEC seit 2024 den IEA SHC Task 72 „Solar Photoreactors for the Production of Fuels and Chemicals“. In drei Subtasks werden Standards und Designrichtlinien für solare Photoreaktoren

Nächste Herausforderungen & Entwicklungspotenziale

Trotz vielversprechender Ergebnisse bleibt die Flächenwirksamkeit solarer Photoreaktoren eine zentrale Herausforderung. Um diese Technologie in industriellem Maßstab nutzbar zu machen, braucht es zwei wesentliche Fortschritte: neue, stabile Katalysatoren, die ein breiteres Lichtspektrum verwerten, sowie optische Strategien zur besseren Nutzung des Sonnenlichts. Zukunftsweisend sind zudem integrierte Konzepte wie PVT-PEC-Systeme (Hybridsolarsysteme), die verschiedene Spektralbereiche kombinieren und so das volle Potenzial der Solarenergie ausschöpfen.