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Drei Ansätze zur künstlichen Fotosynthese: Die Fotokatalyse kommt der natürlichen Fotosynthese am nächsten. Aufgrund von Effizienzvorteilen kommt zurzeit vor allem die Fotoelektrolyse in so genannten PEC-Zellen zur Anwendung. Bild: Empa
Alternative Ansätze zur Energiegewinnung

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Mit künstlicher Fotosynthese nachhaltig Energie erzeugen

Bäume, Gräser und Algen machen es vor: Sie gewinnen Energie aus der Kraft der Sonne. Forscher kopieren nun das Prinzip der Fotosynthese und wollen so künftig Wirtschaft und Gesellschaft nachhaltig mit Energie versorgen.

Der Trend geht zur nachhaltigen Energieversorgung: Wissenschaftler in aller Welt suchen nach Alternativen zur Energiegewinnung aus Erdöl und Erdgas. Auch Unternehmen investieren in verstärkt in nachhaltige Methoden der Energiegewinnung und -nutzung. Das Großforschungsprojekt „LightChEC“ (deutsch: von der Sonnenenergie zur chemischen Energie) der Universität Zürich versucht, die natürliche Fotosynthese zu kopieren und so weit ausfeilen, dass sie zur Energieversorgung von Wirtschaft und Gesellschaft taugt. Das neuartige Verfahren heißt Fotokatalyse. Im Kern geht es dabei um die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von Sonnenlicht. Der daraus gewonnene Wasserstoff dient dann entweder direkt als Energieträger, beispielsweise für den Antrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen, oder aber er wird zur Synthese von Kohlenwasserstoffen wie Methan – dem Hauptbestandteil von Erdgas –, Ethan, Propan oder (flüssigem) Oktan benutzt. Im Unterschied zu anderen Verfahren kommt die Fotokatalyse ohne die Elektrolyse von Wasser aus. Zur praktischen Anwendung gelangt sie allerdings erst in einiger Zeit.

Energie aus Sonnenlicht ohne Solarzellen erzeugen

Im einfachsten Forschungsansatz zur künstlichen Fotosynthese wird Wasser mittels Solarstrom elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Sonnenlicht mit Solarzellen zu ernten sowie die Elektrolyse von Wasser sind Prozesse, die prinzipiell getrennt voneinander ablaufen können. „Auf mikroskopischer Ebene lassen sie sich allerdings kombinieren“, sagt Empa-Wissenschaftler Andreas Borgschulte. Man spricht dann von der Fotoelektrolyse in sogenannten fotoelektrochemischen Zellen, die in Anlehnung an die englische Bezeichnung auch PEC-Zellen genannt werden. Man kann sie sich als ein mit Wasser gefülltes Gefäß mit einer Fotoanode und einer Gegenelektrode vorstellen. Die Fotoanode absorbiert Sonnenlicht und liefert den Strom für die Wasserspaltung. Der Vorgang kommt also ohne Solarzellen aus. PEC-Zellen erreichen derzeit eine Effizienz von rund fünf Prozent. Das bedeutet, dass ein Zwanzigstel der eingefangenen Sonnenenergie in chemische Energie – Wasserstoff – umgewandelt wird. PEC-Zellen können mit ihrer relativ hohen Effizienz bereits heute eingesetzt werden.

Vor kurzem gelang es den Wissenschaftlern zudem, den gesamten Prozess in einem molekularen System in einer wässrigen Lösung nachzuahmen – die in PEC-Zellen eingesetzten Elektroden entfallen dadurch. Mit diesem Verfahren der „Fotokatalyse“, kommen die Forscher dem natürlichen Vorbild noch ein ganzes Stück näher als mit PEC-Zellen. Allerdings kann die Effizienz des im Rahmen des Forschungsprogramms entwickelten Verfahrens mit der PEC-Effizienz noch nicht mithalten. Um die Effizienz dieses Verfahrens zu optimieren, wird nach besseren Katalysatoren gesucht, um CO2 und Wasserstoff in Methan umzuwandeln

Energiegewinnung aus künstlicher Fotosynthese soll marktreif werden

Ebenso findet die Elektrolyse mittels Strom aus Fotovoltaik Anwendung, beispielsweise im Mobilitätsdemonstrator «move» der Empa: Mit ihm möchte die Empa aufzeigen, wie sich überschüssiger Strom aus Fotovoltaik- und Wasserkraftanlagen effizient für eine nachhaltige Mobilität nutzen lässt, etwa direkt zum Laden von Elektroautos oder zur Herstellung und Speicherung von Wasserstoff beziehungsweise von Methan. Das entsprechende Verfahren haben die Forscher der Empa bereits zu einem guten Stück ausgereift, wollen es aber noch weiter verbessern. Dazu suchen sie unter anderem nach immer besseren Katalysatoren. Von diesen hängt es zum Beispiel ab, wie effizient CO und Wasserstoff zu Methan reagieren. Mittels modernster Analytik wollen die Empa-Forscher/innen die Wirkungsweise solcher Katalysatoren, also den molekularen Reaktionsmechanismus, besser verstehen lernen und so der Energiegewinnung mittels künstlicher Fotosynthese früher oder später zur Marktreife verhelfen.

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