Andreas Luzzi 2/29/ PDF

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Solarer Wasserstoff durch Photoelektrolytische Wasserspaltung SPF Traum oder Albtraum? Andreas Luzzi IEA-HIA Operating Agent des Annex-20 und Mitglied im HIA-ExCo für die Schweiz SFOE Leiter des F+E Programms
Solarer Wasserstoff durch Photoelektrolytische Wasserspaltung SPF Traum oder Albtraum? Andreas Luzzi IEA-HIA Operating Agent des Annex-20 und Mitglied im HIA-ExCo für die Schweiz SFOE Leiter des F+E Programms Wasserstoff & Brennstoffzellen im Auftrag des BFE SPF Leiter des SPF Institut für Solartechnik der Hochschule für Technik Rapperswil HSR Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 1 Agenda 1. Gedanken PEC Wasserspaltung 3. Grundsätzliches über die IEA-HIA 4. Hauptherausforderungen der PEC Wasserspaltung: Materialien, Materialien, Materialien, Materialien 5. Mögliches Energiedreieck des Nachfossilen Zeitalters Gedanken (Teil-II) Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 2 Title goes here 1 Gedanken: Unser Zeitalter vergleichbar mit einem Zündholz... brennt schnell und furios - aber nicht lange. Zeitachse [Jahre] 6 Milliarden (Erde) (homo sapiens) Heute (homo weniger sapiens) Zukunft (homo?) Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 3 PEC Wasserspaltung 2-Photonen Tandem Systeme Monolythische Multi-Junction Systeme H 2 PEC H 2 O Spaltung O 2 1-Gefäss / 2-Schritte Systeme Doppel-Gefäss Redox Systeme Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 4 Title goes here 2 Warum nicht... PV + Elektrolyse? Brauchen 4 Photonen pro H + (~1.85V) Systemauslegung für Spitzenleistung UNAM Ziel von IEA-HIA: Erarbeiten von Grundlagenwissen für stabiles, 10%-effizientes PEC System mit Wasserstoffkosten von US$ 10/GJ Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 5 US$ 10/GJ = 25% tiefer als heutiger PEC Effizienz von 10% PEC Investitionskosten von max. US$ 100/m 2 (z.b. für Südspanien und 20 Betriebsjahre) ~ US$ 450/m 2 (nur PV Module) ~ US$ 150/m 2 (nur Kollektoren) Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 6 Title goes here 3 Grundsätzliches über die HIA International Energy Agency (IEA) Autonomous body within the Organization of Economic Cooperation and Development (OECD), founded in 1974 to carry out energy cooperation among member countries. Key: Security of supplies IEA Implementing Agreement (IA) A collaborative research and development (R&D) program Annex / Task Basic unit of organization; Next level is sub-task; Operating Agent manages Annex; Experts do work Hydrogen Implementing Agreement (HIA) Created in 1977 on a task-shared, bottom-up basis Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 7 Australia Dr John Wright Canada Mr Nick Beck (Chairman) Denmark Mr Jan Jensen European Commission Dr Stathis Peteves Finland Dr Heikki Kotila France Dr Paul Lucchese Iceland Mr Augusta Loftsdottir Germany Dr Jürgen Hagen Greece Dr Eli Varkaraki Mitgliedsländer der HIA Italy Dr Agostino Iacobazzi Japan Mr Yoshiteru Sato Korea Mr Young-Sam Kim Lithuania Dr Jurgis Vilemas The Netherlands Mr Frank Denys New Zealand Dr Steven Pearce Norway Mrs Line Hagen Spain Dr Antonio Garcia-Conde Sweden Dr Lars Vallander Switzerland Dr Andreas Gut United Kingdom Dr Ray Eaton United States Dr Carole Read Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 8 Title goes here 4 HIA Annexes seit Thermochemical Production 2. High-Temperature Reactors 3. Potential Future Markets 4. Electrolytic Production 5. Solid Oxide Water Electrolysis 6. Photocatalytic Water Electrolysis 7. Storage, Conversion and Safety 8. Techno-Economic Assessment 9. Hydrogen Production 10. Photoproduction of Hydrogen 11. Integrated Systems 12. Metal-Hydride for H 2 Storage 13. Design & Optim. of Int. Systems 14. Photoelectrolytic Production 15. Photobiological Production 16. H 2 from C-Containing Mat. 17. Solid & Liquid State Storage 18. Integrated Systems - II 19. Safety 20. H 2 from Waterphotolysis 21. BioHydrogen 22. Fundamentall Storage Mat. 23. Small-scale Reformers 24. Wind & H2 Integration 25. High-temp. Processes Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 9 Grundkonzept und Materialforschung (I) III-V & CuFeS 2 (Pyrit) CuGaSe 2 :Si NREL Theoretisches Potenzial für STH PEC ~ 23% NREL NREL Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 10 Title goes here 5 Konzept der PEC Tandem-Zellen Wasserspaltung e - Pt-counter electrode Dye on Nanoporous TiO 2 Pt-SnO2 glass Glass H 2 O 2 H 2 O 3I - I - 3 Aqueous electrolyte Thin film α-fe 2 O 3 Conducting glass e - EPFL Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 11 Heutige Tandem-Zellen Materialsforschung (II) Spectral photonfluxdensity /10 21 [s -1 m -2 µm -1 ] Incident photon energy [ev] Fe 2 O [2, 1.23 V vs 3 RHE] ) 4 WO [5,1V vs RHE] 3 TiO [a] 2 3 DSC 2 WO 3 1 TiO 2 Fe 2 O 3 Solar Spectrum EPFL Incident photon wavelength [nm] 1.25 TiO 2 WO 3 Fe 2 O 3 AgCl CIGS GaPN DSC Si Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 12 Title goes here 6 TiO 2 als idealer Materialkandidat? TUD Leistungsfähigkeit Reagiert im sichtbaren Licht bis zu 520 nm Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 13 Materialforschung (III) Fe 2 O 3 Photoanoden STH PEC ~ 4% (in Tandem-Zellen Konfiguration) Entscheidend für die Leistung von PEC Wasserspaltung: Grundmaterial Dotierung Dünnschichtverfahren (Industrialisierung?) Wärmenachbehandlung Oberflächenmorphologie Substrat Elektrolyt Elektrokatalyse Zerfall des Photostroms EPFL Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 14 Title goes here 7 Materialforschung (IV) Einfluss von Substrat und Schichtdicke J (ma/cm 2 ) WO 3 Photoanoden near absorption limit Thickness Tsubstrate Stoichiometry & Target condition 2003 films 2005 Leistungsfähigkeit HNEI: 1 ma/cm 2 UoG: 2.3 ma/cm Leistungsfähigkeit 3.2 ma/cm 2 (1200mV vs RHE, 1-sun and AM1.5, 1-M NaOH) V vs SCE (V) HNEI Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 15 Materialforschung (V) Einfluss der Wärmenachbehandlung 400 C 450 C 500 C 550 C 100nm Nadelartige Nanoartikel Plattenartige Nanopartikel 100nm 100nm 100nm Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 16 Title goes here 8 Materialforschung (VI) Einfluss des Dünnschichtverfahrens Particle- ~ 14 nm EPFL Fe 2 O 3 ~ 300 nm FTO ~ 200 nm Blumenkohlartige Oberflächen morphologie 2005 Leistungsfähigkeit 1.2 ma/cm Leistungsfähigkeit 2.8 ma/cm 2 (1200mV vs RHE, 1-sun and AM1.5, 1-M NaOH) Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 17 Materialforschung (VII) Einfluss der Oberflächenmorphologie Sidoped Sidoped OH - O 2 OH - O 2 Cesar OH - OH - O 2 O 2 Silicon free Wachstum von Fe 2 O 3 auf SnO 2 Cesar USP Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 18 Title goes here 9 Materialforschung (VIII) Photokatalysatoren ( alt & neu) Nano-Sulfide hυ H H 2 2 O O 2 2 KRICT Perowskite POSTECH Theoretisches Potenzial für STH PEC ~ 2% Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 19 Materialforschung (IX) W WO 3 PbBi 2 Nb 1.9 Ti 0.1 O 9 POSTECH Schichtartige Perowskitoxide Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 20 Title goes here 10 Suche nach dem perfekten Material: Kombinatorische Chemie z.b. Sprühen von Metalloxidlösungen mittels Tintenstrahldrucker auf leitendes Glassubstrat Hauptherausforderungen Bandgapengineering Oberflächenmorphologie Korrosionsstabilität CoStUni Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 21 Demonstrationssysteme (I) PEC Labordemosysteme (Tandem-Zellen) HNEI: WO 3 / a-si-a-si Tandem-Zelle UoB: Au-AgCl / a-si-a-si Tandem-Zelle NREL: GaPN / p-si Tandem-Zelle SPF: WO 3 / 4-p-Si Tandem-Zelle HNEI Heutige Leistungsfähigkeit Stabile STH Umwandlungseffizienz = 3.1% (HNEI s WO 3 / a-si-a-si Tandem-Zelle) Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 22 Title goes here 11 Demonstrationssysteme (II) Vorkommerzielle PEC Demosysteme (Tandem-Zellen) 2004 : 10cm x 10cm PEC Wasserspaltungs- Tandem-Zelle Hydrogen Solar 2005 : 30cm x 30cm PEC Wasserspaltungs-Tandem-Zelle Vom Autor geschätzte STH PEC ~ 4-7% 2006 : modulare 10cm x 10cm PEC Wasserspaltungs- Tandem-Zelle Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 23 Ausblick: Mögliches Energiedreieck des nachfossilen Zeitalters Quelle Sonne e - z.b. Photovoltaik z.b. Photoelektrolyse H 2 Brennstoffzellen / Elektrolyse Hauptenergieträger Speicher & Treibstoff Wasserstoff Strom Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 24 Title goes here 12 CO 2 ( Jahre)? Eisbohrkern (runter bis 3.2 km) Antarktika 30% mehr CO 2 als je zuvor 130% mehr CH 4 als je zuvor CO 2 Wachstum 200x schneller als je zuvor Temperature at Antarctica (degree Celsius) Time (years prior to today) Start des homo sapiens Stocker et al. (2006) Figure 1: Reconstruction of the atmospheric CO 2 concentration over the last years, measured using various ice core samples of the Antarctica, as well as of the CO 2 growth from direct atmospheric measurements over the past 50 years (blue curve). The antarctic temperature has been estimated using measurements of the stable isotopes of the water molecule (red curve). Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 25 Dankeschön... Hydrogen Solar Innovationstagung HSR, Rapperswil - Solarer Wasserstoff - Andreas Luzzi - 27/Feb/08 Folie 26 Title goes here 13
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