SOPHIE – Spektrum-optimierte Photochemie zur Erweiterung von PVT bzw. PV-PEC Systemen für intelligente Energieproduktion
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Der Bedarf an grünem Wasserstoff, der heute bei weniger als 1 Mt/a liegt, soll bis 2050 auf bis zu 400 Mt/a
steigen (IEA Net Zero Scenario). Um diesen Bedarf an grünen Treibstoffen und künftig auch Chemikalien zu
decken, sind breit verfügbare Rohstoffe erforderlich. Die direkte Nutzung von Sonnenlicht in photochemischen
Prozessen, um aus Wasser (einschließlich Abwasser) Wasserstoff, Treibstoffe und Chemikalien zu erzeugen,
kann eine Schlüsseltechnologie der Zukunft sein.
Eine essenzielle Herausforderung ist dabei die Flächeneffizienz, um die benötigten Solarflächen möglichst
effektiv zu nutzen. Während PV bereits › 20 % des Sonnenlichts zur Stromerzeugung nutzen kann, erreichen
direkte photochemische Prozesse (darunter die Photoelektrochemie) meist ‹ 10 % (in Einzelfällen bis zu 15–20
%). Um einen relevanten Beitrag zur flächeneffizienten Energieproduktion zu leisten, müssen diese
Wirkungsgrade erheblich gesteigert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Prozesse nicht nur weiterzuentwickeln, sondern auch in integrierten Systemen zu kombinieren.
Das Projekt SOPHIE zielt darauf ab, einen hybriden Multiprodukt-Kollektor zu entwickeln, der das gesamte
solare Spektrum optimal nutzt. Durch innovative spektrale Aufteilung werden drei
Energieumwandlungsprozesse simultan integriert:
- Photoelektrochemische (PEC) Wasserstoffproduktion (‹700 nm)
- Photovoltaische (PV) Stromerzeugung (700–1100 nm)
- Solarthermische (ST) Wärmenutzung (›1100 nm)
Damit könnten „Solar-to-Multiprodukt“-Effizienzen von über 75 % erreicht und eine flächeneffektive solare
Energieproduktion ermöglicht werden.
SOPHIE baut auf bestehender Expertise in PV, PEC, konzentrierender ST (inkl. deren Kombination in zB PVT)
auf und integriert diese Technologien zu einem hocheffizienten hybriden Multiprodukt-Solarkollektor. Die
innovativen Aspekte umfassen eine Spektral-Splitting-Methode zur gezielten Aufteilung des Sonnenlichts, die
Weiterentwicklung der zu kombinierenden Technologien sowie das Design, die Realisierung und das
Proof-of-Concept eines ersten Prototyps im Labormaßstab (TRL › 5).
Das Proof-of-Concept erfolgt auf Basis der Wasserstoffgewinnung, wobei der Kollektor zukünftig, je nach
Standort und lokalen Bedürfnissen angepasst, auch für Industrieparks mit CO2-Quellen für CCU-Prozesse
eingesetzt werden kann. Somit leistet SOPHIE einen wesentlichen Beitrag für die zukünftige dezentrale,
regionale solare Energie und Chemikalienproduktion und -versorgung und somit einen bedeutenden Beitrag
zur Energiewende.
