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Bild: Kadi Liis Saar

Bio-Photovoltaik auf Algenbasis Mutierte Algen erzeugen und speichern Solarstrom

11.01.2018

Man nehme Algen und Photovoltaik - und fertig ist die Brennstoffzelle. Forscher an der Universität Cambridge haben tief in die Prozesse einer Alge geschaut und ein Bio-Photovoltaik-System entwickelt, das mit Hilfe von Algen Sonnenenergie in Strom umwandeln und speichern kann. Die Energiewende ist damit zwar nicht geschafft, aber Regionen ohne Anbindung ans Stromnetz könnten davon profitieren.

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Geht es, in welchem Zusammenhang auch immer, um Algen, sind die Reaktionen gemischt. Die einen sehen darin eine Gefahr für Schiffsoberflächen und sagen den Algen den Kampf an. Andere versuchen, aus der Not eine Tugend zu machen und die grüne Plage als Energiequelle zu nutzen oder sie als Ersatz für Plastikflaschen zu vermarkten.

Algen als alternative zu synthetischer PV?

Nun steht den kleinen Meeresbewohnern vielleicht eine neue Karriere bevor: Denn Forscher der Universität Cambridge haben Algen für die Biophotovoltaik entdeckt. Biologische Solarzellen haben sich in den vergangenen Jahren neben der synthetischen Photovoltaik als umweltfreundlicher und kostengünstiger Ansatz zur Gewinnung von Sonnenenergie und für deren Umwandlung in elektrischen Strom etabliert.

Diese Solarzellen nutzen die photosynthetischen Eigenschaften von Mikroorganismen, wie eben Algen, um Licht in elektrischen Strom umzuwandeln. Während der Photosynthese produzieren Algen Elektronen, von denen einige außerhalb der Zelle exportiert werden, wo sie elektrischen Strom für die Stromversorgung von Geräten liefern können.

Bislang haben bei Bio-PV sowohl die Ladung (Lichtsammlung und Elektronenerzeugung) als auch die Leistungsabgabe (Übertragung auf den Stromkreis) in einer einzigen Kammer untergebracht; die Elektronen erzeugen Strom, sobald sie abgesondert wurden.

Die Cambridge-Forscher aus den Bereichen Biochemie, Chemie und Physik haben gemeinsam ein Zwei-Kammer-Bio-PV-System entwickelt, bei dem die beiden Kernprozesse einer Solarzelle - die Erzeugung von Elektronen und deren Umwandlung in Strom – getrennt werden.

„Ladung und Energieabgabe haben oft widersprüchliche Anforderungen“, erklärt Kadi Liis Saar aus dem Fachbereich Chemie. Ein Beispiel: Um eine effiziente Ladung sicherzustellen, muss die Ladeeinheit dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Die Stromversorgungseinheit erfordert dagegen keine Lichteinwirkung, sondern sollte die Elektronen mit minimalen Verlusten in Strom umwandeln können.

Trennung brachte mehr Leistung

Durch den Aufbau eines Zweikammersystems waren die Forscher in der Lage, beide Einheiten unabhängig voneinander zu konstruieren und dadurch die Leistung der Prozesse zu optimieren. So haben sie die Leistung der Stromversorgungseinheit durch Miniaturisierung gesteigert.

Dazu sagt Prof. Tuomas Knowles vom Fachbereich Chemie: „In Miniaturskalen verhalten sich Flüssigkeiten sehr unterschiedlich, was es uns ermöglicht, Zellen zu konstruieren, die effizienter sind, mit geringerem Innenwiderstand und geringeren elektrischen Verlusten.“

Mutantenalgen erhöhen die Leistungsdichte

Das Team verwendete gentechnisch veränderte Algen. Ihre mutierten Zellen sind in der Lage, die Menge an elektrischer Ladung zu minimieren, die während der Photosynthese nicht produktiv abgebaut wird. Zusammen mit dem neuen Design ermöglichte dies den Forschern den Bau einer Bio-PV Zelle mit einer Leistungsdichte von 0,5 W/m2 – fünfmal mehr als bei der bisherigen Konstruktion.

Das ist zwar immer noch nur etwa ein Zehntel der Leistungsdichte herkömmlicher Solarbrennstoffzellen, aber dies neuen Zellen haben dennoch einige attraktive Eigenschaften, insbesondere weil Algen auf natürliche Weise wachsen und sich teilen, würden Systeme, die auf diesen Algen basieren, weniger Energieaufwand erfordern und könnten dezentral produziert werden.

Bio-PV kann Strom in netzferne Häuser bringen

Auch wenn die Forscher nicht davon ausgehen, dass mit Algen betriebene Brennstoffzellen genug Strom erzeugen, um ein Stromnetz aufrecht zu erhalten, können sie in Gebieten wie dem ländlichen Afrika, wo zwar Sonnenlicht aber kein Stromnetz vorhanden ist, hilfreich sein. Während die synthetische Photovoltaik auf Halbleiterbasis in der Regel in Anlagen produziert wird, die weit entfernt von ihrem Einsatzort liegen, könnte die Produktion von Bio-PV direkt von der lokalen Bevölkerung durchgeführt werden.
Dr. Paolo Bombelli vom Fachbereich Biochemie ist sich sicher: "Diese Entwicklungen werden algenbasierte Systeme der praktischen Umsetzung näherbringen."

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