Wasserstoff aus Abwärme

 Rico Belitz mit einem Mikroreaktor, in dem er die Wasserstofferzeugung an pyroelektrischen Kristallen nachwies. (Bild: Fh.-THM)

Fraunhofer-Forscher Rico Belitz mit einem Mikroreaktor, in dem er die Wasserstofferzeugung an pyroelektrischen Kristallen nachwies. (Bild: Fh.-THM)

Aus oft unge­­nutzer Abwärme in Industrie­­betrieben könnte rege­nerativ Wasser­stoff erzeugt werden. Eine Grundlage dazu legte nun Rico Belitz vom Fraunhofer-Technologie­­zentrum Halb­leiter­­materialien THM in Freiberg. Er konnte zeigen, dass pyro­­elektrische Kristalle von außen aufgeprägte Temperatur­­änderungen zu einer elek­trischen Aufladung der Kristall­­oberflächen führen. Dabei kann die Aufnahme von Ladungs­­trägern aus der Umgebung zur Kompensation der Oberflächen­­ladungen ausgenutzt werden, um Wasser­­stoff aus Wasser zu erzeugen.

Der Effekt der Pyro­­elektri­zität war bereits in der Antike bekannt, die breite technische Umsetzung erfolgte allerdings erst in der Mitte des 20. Jahr­hunderts mit der Entwicklung von Infra­rot-Sensoren. Die Sensoren nutzen dabei die elek­­trische Aufladung der Ober­­flächen pyro­­elektrischer Materialien bei Wärme­­einwirkung aus. Auf diesem Detektor-Prinzip basiert heute der am häu­figsten verwendete Typ von Bewegungs­­meldern. Aber auch Pyrometer benutzen kleine, pyro­­elektrische Kristalle. Diese Geräte lassen sich bei der Bau­­thermografie zum Aufspüren von Wärme­­brücken einsetzen.

Die Arbeiten am Fraun­hofer THM verfolgen den Ansatz, pyro­­elektrische Kristalle im direkten Kontakt mit Wasser einem Temperatur­­wechsel auszusetzen. Die damit einher­gehende Änderung der Ober­flächen­­potentiale von etwa Barium­­titanat­­kristallen ermöglicht eine Reaktion der adsor­bierten Wasserstoff- und Sauerstoff­­ionen oder -moleküle zur Bildung von gas­­förmigem Wasser­stoff und Sauerstoff. Eine vorab durch­­geführte theore­tische Studie zu diesem Prozess zeigte, dass dafür eine sehr große wirksame Oberfläche der pyro­­elektrischen Kristalle nötig ist und die Temperatur­­wechsel mit hoher Frequenz erfolgen müssen, um in den Bereich mess­barer Wasser­stoff­konzen­tra­tionen zu gelangen.

Für eine relevante Produktions­­menge aus Sicht einer technischen Nutzung, zum Beispiel zur Wandlung von Nieder­­temperatur­­abwärme in chemische Energie, wären diese Werte noch weitaus größer. Rico Belitz und seine Kollegen vom Fraunhofer THM und vom Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensor­­technik e.V. in Meinsberg hatten hier vorläufig das Ziel, das Funktions­­prinzip mit einem Labor­­demonstrator nachzuweisen. „Als pyro­­elektrisches Material wurde Barium­­titanat ausgewählt. In einem Temperatur­­fenster von 0 bis 120 °C liegt das kristal­­line Material in der pyro­elektrisch wirkenden, tetra­gonalen Phase vor, was sehr gut zum Temperatur­niveau indus­trieller Abwärme in Rückkühl­­anlagen oder dem Rücklauf von Heizungs­­systemen passt“, erläutert Rico Belitz.

Für die Versuche wurden zunächst grobe Kristall­­stücke in Mörsern zu Pulver gemahlen, um die wirksame Oberfläche zu erhöhen, und dann in einen kleinen, quader­­förmigen Behälter gefüllt. Nach der Pola­ri­sation in einem elek­trischen Feld wurde der Behälter mit Wasser gefüllt und einer perio­­dischen Temperatur­­änderung zwischen 40 und 70 °C ausgesetzt. Dies erfolgte in einem speziell dafür konzi­­pierten Mini-Teststand. Um eine Beein­­trächtigung durch den in der Atmo­sphäre enthaltenen Wasser­­stoff auszu­schließen, wurde die Apparatur vor Versuchs­­beginn mit Stickstoff gespült. Mit Hilfe eines hoch­empfindlichen Wasser­­stoff-Gas­sensors konnte nach einigen Durch­läufen schließlich pyro­­elektrisch erzeugter Wasser­­stoff nach­gewiesen werden, wenn auch in sehr geringen Mengen. „Dieses Ergebnis zeigt die prinzi­­pielle Möglichkeit auf, pyro­­elektrische Kristalle zur Erzeugung von Wasser­stoff einzu­setzen. Für eine spätere technische Umsetzung ist jedoch noch weitere inten­sive Forschungs­­arbeit, ins­besondere auch unter Verwendung alter­­nativer pyro­­elektrischer Materialien, erforder­lich“, stellt Belitz klar.

Auch wenn es noch ein langer Weg vom Nachweis der prinzi­­piellen Mach­­barkeit bis zur tat­säch­lichen Anwendung ist, zeigt sich ein hohes wissen­schaftlich-technisches Interesse an inno­­vativen Methoden zur Energie­­umwandlung. So wurde die Arbeit von Rico Belitz auf der Frühjahrs­­tagung der European Materials Research Society Anfang Mai 2016 in Lille mit dem „Best Poster Award“ im „Symposium W – Materials and Systems for Micro­­energy Har­vesting and Storage“ ausgezeichnet. (Quelle: Fh.-THM)

Link: Fraunhofer Technologiezentrum Halbleitermaterialien THM, Freiberg • Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensor­­technik e.V.,Meinsberg

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