Probenröhrchen mit lichtaktiver Substanz
Neuer Kunststoff kann Solarenergie speichern
Solarzellen, die Sonnenenergie sammeln, müssen diese normalerweise sofort an einen Stromspeicher abgeben. Forscher der Universitäten Ulm und Jena haben jetzt eine neue "Solarbatterie" entwickelt, die Energie über Tage hinweg speichern kann.
Dabei handelt es sich nicht um eine Batterie im klassischen Sinne, die eine Kathode und Anode hat. Der Schlüssel ist vielmehr ein neues Material: ein spezielles Copolymer, also ein Kunststoff.
Licht absorbieren und Speichern
Es besteht aus 2 Einheiten. Die erste kann Licht absorbieren und in elektrische Ladung umwandeln, wie eine Solarzelle. Besonders ist die zweite Einheit: Sie kann die Energie, wie in einem Akku, speichern.
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Dieser Photokatalyse-Reaktor wird zur lichtgetriebenen Erzeugung von Wasserstoff genutzt. Die blauen LED-Lichter dienen dabei als Lichtquelle für den photochemischen Prozess
© Elvira Eberhardt / Uni Ulm
Das macht es möglich, die Energie auch Tage später, unabhängig von der Tageszeit, abzugeben. Das Copolymer erreicht laut den Wissenschaftern eine Ladeeffizienz von über 80 Prozent.
Wasserstoffproduktion
In ihrer Studie haben die Forscher diese Eigenschaften genutzt, um grünen Wasserstoff herzustellen. Normalerweise geht das mithilfe von Sonnenenergie nur tagsüber, weil die Energie sofort verarbeitet werden muss. Würde man sie zwischenspeichern, wären wieder zusätzliche Akkus nötig und dadurch kann Energie verloren gehen.
Die Farben des Wasserstoffs
Je nachdem, woher die Energie zur Herstellung des Wasserstoffs herkommt, erhält er im Sprachgebrauch eine andere "Farbe". Das sind die wichtigsten:
- "Weiß" bedeutet, dass Wasserstoff natürlich vorkommt und nicht produziert werden muss
- "Grün" bedeutet, dass der Wasserstoff aus erneuerbaren, sauberen Energien, wie Sonnen-, Wind- oder Wasserkraft, durch Elektrolyse produziert wird
- Als "Grau" gilt jener, der aus Erdgas (Methan) hergestellt wird. CO2 ist ein Nebenprodukt dieses Vorgangs
- Eine Abstufung ist der "blaue" Wasserstoff. Hier wird das CO2 nicht in die Atmosphäre abgegeben, sondern mittels Carbon Capture and Storage-Technik (CCS) gespeichert und unterirdisch gelagert
- "Türkiser" Wasserstoff entsteht bei der sogenannten Methanpyrolyse. Ausgangsstoff ist ebenso Methan, bei der Herstellung entsteht aber fester Kohlenstoff (Kohle), der gelagert oder weiterverarbeitet werden kann
- "Schwarzer" Wasserstoff wird aus Kohlekraft gewonnen, "roter" Wasserstoff aus Atomkraft und „gelber“ aus dem Strommix des öffentlichen Netzes
ph-Schalter startet und stoppt Wasserstoff-Produktion
Mit dem neuen Copolymer kann die Produktion flexibler werden. Dafür wird das Copolymer direkt zum Wasser und einem Katalysator hinzugefügt. Im Versuchsaufbau fand das in Reagenzgläsern statt, die mit sichtbarem Licht, hier blauen LEDs, bestrahlt wurden. Das System nutzt dann die gespeicherte Ladung, um daraus Wasserstoff herzustellen. So kann der Wasserstoff bei Bedarf, also "auf Knopfdruck", produziert werden.
Bei diesem "Knopf" handelt es sich um einen cleveren ph-Schalter. Er reguliert, dass die Elektronen im Kunststoff nicht sofort mit dem Wasser reagieren. Stattdessen wird das Copolymer über den Säuregehalt (ph-Wert) gesteuert. Bei geringer Säure speichert es die Elektronen (Ladevorgang und Speicherzeit). Senkt man den ph-Wert ab und die Umgebung wird sauer, verändert sich die chemische Struktur des Kunststoffs und die Elektronen werden abgegeben.
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Katalyselösungen mit lumineszierendem Ruthenium-Farbstoff, die im Reaktor mit sichtbarem Licht bestrahlt werden
© Elvira Eberhardt / Uni Ulm
Einsatz in der Industrie
Die Forscher sehen für ihre "On Demand"-Wasserstoffproduktion vor allem eine Zukunft in der Industrie. Sie könnte z.B. für eine klimaneutrale Stahlproduktion eingesetzt werden.
"Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für kostengünstige, skalierbare solare Speichertechnologien – und liefern einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einer nachhaltigen, chemisch basierten Energiewirtschaft", sagt Ulrich Schubert, Mitautor der Studie, in einem Statement. Die zugehörige Studie erschien im Fachmagazin nature.
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