„nachhaltige technologien 03 | 2026"

ie Verwendung von suspendierten Photokataly- satoren ist einer der einfachsten denkbaren Wege zur Erzeugung von Solarwasserstoff und zugleich einer der am schwierigsten zu skalierenden Ansätze, da Licht eine Suspension aus Katalysatorpartikeln kaum durchdringen kann. Bei AEE INTEC in Gleisdorf wurde ein gerührter 3-Liter-Schlaufenphotoreaktor mit einem speziell entwickelten, nicht nachführen- den Solarkollektor kombiniert und unter natürlichem Sonnenlicht betrieben. Mit Hilfe eines Thiomolybdat- Cokatalysators anstelle von Platin konnte solarer Wasserstoff erzeugt werden und der eigentliche Engpass der photokatalytischen Wasserstofferzeu- gung nachgewiesen werden: der Verfügbarkeit von Photonen. Vorteile und Herausforderungen der direkten Erzeugung von solarem Wasserstoff Bei der Photokatalyse mit Suspensionen wird der Photokatalysator direkt im Reaktionsmedium disper- giert. Dadurch sind weder eine elektrische Verkabe- lung noch eine externe Vorspannung oder Membran erforderlich. Technoökonomische Studien zeigen, dass dieses Verfahren langfristig das Potenzial hat, bei den Wasserstoffgestehungskosten mit fossilem Wasserstoff zu konkurrieren. Gleichzeitig weist es im Vergleich zu anderen solaren Verfahren zur Wasserstofferzeugung eine besonders geringe Sys- temkomplexität auf. Diese Einfachheit bringt jedoch hohe Anforderungen an die optische Auslegung des Systems mit sich. Die Katalysatorpartikel streuen das Licht stark, sodass bei der für eine brauchbare Pro- duktivität erforderlichen Beladung von etwa 1 mg/ml das Licht nur wenige Millimeter in die Suspension eindringt. Im Inneren des Reaktors entsteht ein größeres, nur unzureichend beleuchtetes Volumen, sodass eine weitere Erhöhung der Katalysatorkon- zentration die Reaktionsrate nicht mehr steigert. Daher sind zwei Dinge gleichzeitig erforderlich. Ers- tens muss der Stofftransport intensiviert werden, damit die Partikel nicht im Dunkeln verharren, son- dern kontinuierlich zwischen dem schattigen Kern und dem beleuchteten Außenbereich zirkulieren. Zweitens ist ein Solarkollektor erforderlich, der Pho- tonen effizient an die Reaktorwand liefert, damit der Katalysator diese tatsächlich nutzen kann. Sonnenlicht liefert etwa 4 Prozent seiner Energie im ultravioletten, 42 Prozent im sichtbaren und 54 Pro- zent im infraroten Bereich. Da bei einem Katalysator, der ausschließlich Strahlung unterhalb von 400 nm absorbiert, nur ein kleiner Anteil des Sonnenspek- trums genutzt werden kann, kommt der gezielten Lichtführung im Reaktor besondere Bedeutung zu. Um diese Herausforderung zu adressieren, haben die Universität Ulm und AEE INTEC gemeinsam die Machbarkeit der solaren Wasserstofferzeugung mit natürlicher Sonneneinstrahlung auf dem Dach von AEE INTEC untersucht. Aufbau und Funktionsweise des Schlaufenphoto- reaktors Zum Einsatz kam ein gerührter 3-Liter-Schlaufen- photoreaktor (SLPR) aus Borosilikatglas mit einer Wandstärke von etwa 2 mm. Er bestand aus vier modularen Teilen: einem Unterteil, einem Mittelteil mit einem herausnehmbaren inneren Saugrohr sowie einem Oberteil, das die Anschlüsse für Spülgas, Küh- lung und den Überkopf-Rührer trug. Die beleuchtete Reaktionszone hatte einen Durchmesser von 96 mm und war etwa 390 mm hoch. Das Rühren sorgte für eine erzwungene interne Zirkulation, bei der die Suspension durch das zentrale D Daniel Kowalczyk, Sarah Meitz, Daniel Rüdisser, Josephin Pätzold, Bettina Muster-Slawitsch, Dirk Ziegenbalg Solare Wasserstoffproduktion in der Praxis: Der gerührte 3-Liter-Schlaufenphotoreaktor mit seinem kombinierten Spiegel-/Diffusorkol- lektor während eines Versuchs auf dem Dach von AEE INTEC in Gleisdorf Foto: AEE INTEC / Sarah Meitz Sonnenlicht wird zu Wasserstoff Daniel Kowalczyk, Sarah Meitz, Daniel Rüdisser, Josephin Paetzold, Bettina Muster-Slawitsch, Dirk Ziegenbalg