Die Natur als Vorbild für die Energieversorgung der Zukunft
Chinesischen Forschern ist ein bedeutender Fortschritt bei der Entwicklung sauberer Energietechnologien gelungen: Sie haben ein System entwickelt, das Kohlendioxid und Wasser allein mithilfe von Sonnenlicht in wertvolle chemische Grundbausteine umwandelt. Der Durchbruch, über den die Fachzeitschrift Nature Communications nach einem Peer-Review-Verfahren berichtete, ist von der Photosynthese inspiriert. Bei diesem natürlichen Prozess gewinnen Pflanzen Energie aus Sonnenlicht, Wasser und dem Kohlenstoff der Atmosphäre.
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Das Forschungsteam, dem Wissenschaftler der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Hong Kong University of Science and Technology angehörten, entwickelte ein spezielles Material, das kleine Mengen elektrischer Energie speichern kann. Diese Speicherfähigkeit ist entscheidend, um die chemischen Reaktionen anzutreiben, die Kohlendioxid in nützliche Verbindungen umwandeln, ohne auf fossile Brennstoffe zurückzugreifen.
In Verbindung mit Katalysatoren, die die Umwandlung von Kohlendioxid ermöglichen, erlaubt das System die Herstellung von Kohlenmonoxid mithilfe von Sonnenenergie. Diese chemische Zwischenstufe lässt sich anschließend zu flüssigen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen weiterverarbeiten. Das könnte einen Weg eröffnen, Bereiche mit Energie zu versorgen, die sich nur schwer elektrifizieren lassen, etwa die Luft- und Schifffahrt.
Wie künstliche Photosynthese funktioniert
Die Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoff mithilfe von Sonnenlicht, bekannt als Photokatalyse oder künstliche Photosynthese, ist seit Langem ein Ziel der Forschung zu sauberer Energie. Bei der natürlichen Photosynthese speichern Pflanzen Sonnenenergie in chemischen Bindungen und bilden aus Kohlendioxid und Wasser Zucker. Wissenschaftler versuchen, diesen Prozess im Labor nachzubilden, um nachhaltige Kraftstoffalternativen zu entwickeln, die Erdölprodukte ersetzen könnten.
Das chinesische Team nahm sich einer zentralen Herausforderung der künstlichen Photosynthese an: Mehrere komplexe chemische Reaktionen müssen gleichzeitig miteinander verknüpft werden. Natürliche Systeme nutzen ausgefeilte biologische Mechanismen, um durch Licht erzeugte Elektronen vorübergehend zu speichern und so den effizienten Energietransfer zwischen verschiedenen Reaktionsstufen zu ermöglichen. Die Forscher ahmten diese Strategie nach und entwickelten ein mit Silber modifiziertes Wolframtrioxid-Material, das als Ladungsspeicher dient.
Das Forschungsteam beschrieb seine neuartige Strategie in der veröffentlichten Studie.
Diese Arbeit etabliert eine von der Biologie inspirierte Strategie mit einem Ladungsspeicher für die effiziente photokatalytische Reduktion von Kohlendioxid und bietet einen universell einsetzbaren Ansatz zur Herstellung von Solarkraftstoffen.
Das Material speichert bei Lichteinfall Elektronen und gibt sie bei Bedarf frei, um chemische Reaktionen anzutreiben. Das System erzielt eine vergleichbare Leistung wie Verfahren mit organischen Opferreagenzien, die häufig nicht nachhaltig sind, lässt sich aber mit verschiedenen Katalysatoren universell einsetzen. Unter natürlichem Sonnenlicht löste das Material erfolgreich die Umwandlungsreaktionen aus. Das zeigt, dass es sich für praktische Anwendungen zur Herstellung von Solarkraftstoffen eignet, ohne künstliche Beleuchtung oder externe Energiequellen zu benötigen.
Der globale Wettbewerb verschärft sich
Der chinesische Durchbruch erfolgt inmitten eines zunehmend intensiven internationalen Wettbewerbs um praxistaugliche Solarkraftstofftechnologien. Forscher weltweit verfolgen unterschiedliche Ansätze, um atmosphärisches Kohlendioxid in nutzbare Energieträger umzuwandeln, und setzen dabei auf verschiedene technische Strategien und Anwendungsbereiche. Diese parallelen Fortschritte deuten darauf hin, dass die Technologie nach jahrzehntelanger Laborforschung die Marktreife erreicht.
In der Schweiz haben Wissenschaftler der ETH Zürich unter der Leitung von Professor Aldo Steinfeld eine Industrieanlage entwickelt, die Kohlendioxid und Wasser direkt aus der Umgebungsluft gewinnt. Mithilfe konzentrierter Solarenergie spaltet die Anlage diese Verbindungen und erzeugt Synthesegas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das anschließend zu Kerosin und Methanol weiterverarbeitet wird. Bei der Verbrennung dieses Solarkerosins wird nur so viel Kohlendioxid freigesetzt, wie bei seiner Herstellung aufgenommen wurde. So wird Klimaneutralität erreicht. Die Technologie ist weit genug entwickelt, um kommerziell eingesetzt zu werden. Für eine Anlage zur industriellen Produktion in Deutschland, die die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens demonstrieren soll, ist bereits eine Finanzierung gesichert.
Auch japanische Forscher haben mit einem anderen Ansatz bisherige Effizienzrekorde gebrochen. Wissenschaftler des Institute of Science Tokyo und der Universität Hiroshima entwickelten einen neuartigen bleihaltigen Oxyhalogenid-Photokatalysator, der die Wasserstoffproduktion im Vergleich zu herkömmlichen Methoden um das bis zu Sechzigfache steigert. Ihr Material erzielt eine Rekord-Quantenausbeute von rund fünfzehn Prozent bei der Wasserstoffproduktion und von zehn Prozent bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Ameisensäure, einen flüssigen Kraftstoff. Professor Kazuhiko Maeda, der die Forschung mitgeleitet hat, erläuterte die Bedeutung der strukturellen Verbesserungen.
Diese Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, die Morphologie von Oxyhalogeniden zu kontrollieren, um ihr volles Potenzial als Photokatalysatoren auszuschöpfen.
Forscher der Universität Cambridge haben unterdessen einen solarbetriebenen Durchflussreaktor entwickelt, der mithilfe spezieller Filter Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre aufnimmt. Das Gerät bindet nachts Kohlendioxid und wandelt es bei Sonneneinstrahlung in Synthesegas um. Es kommt dabei ohne externe Energiequellen, Kabel oder Batterien aus. Ein Spiegel bündelt das Sonnenlicht, um die chemische Reaktion anzutreiben. Dieser dezentrale Ansatz könnte die Kraftstofferzeugung an abgelegenen Orten ermöglichen, die nicht an Stromnetze angeschlossen sind.
Auch indische Wissenschaftler leisten einen Beitrag zu diesen weltweiten Forschungsbemühungen. Professor Indrajit Shown vom Hindustan Institute of Technology and Science in Chennai entwickelte ein Material auf Zink- und Schwefelbasis, das Sonnenlicht nutzt, um Kohlendioxid in Acetaldehyd umzuwandeln, einen Kraftstoffbestandteil. Das System arbeitet mit gewöhnlichem Sonnenlicht etwa zweihundertmal effizienter als frühere Verfahren, für die spezielle Beleuchtungsgeräte nötig waren. Professor Shown betonte die praktischen Ziele der Forschung.
In dieser Forschung geht es darum, konkrete Wege zu finden, dem Planeten zu helfen, und nicht nur um wissenschaftlichen Fortschritt.
Die internationale Ausrichtung dieser Forschungsarbeiten deutet darauf hin, dass die Solarkraftstofftechnologie über mehrere unabhängige Ansätze hinweg zur Reife gelangt. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens einer davon kommerziell erfolgreich sein wird.
Luft- und Schifffahrt im Fokus
Die möglichen Anwendungen dieser Technologien reichen über den herkömmlichen Verkehr hinaus und umfassen Bereiche, die sich besonders schwer elektrifizieren lassen. Die Luft- und Schifffahrt sowie die Schwerindustrie sind aufgrund der hohen Energiedichte flüssiger Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe und ihrer Kompatibilität mit der bestehenden Infrastruktur stark auf diese angewiesen. Zusammen verursachen diese Bereiche einen erheblichen Anteil der weltweiten Kohlendioxidemissionen. Zugleich lassen sie sich nur schwer auf batterieelektrische Antriebe oder Brennstoffzellen umstellen.
Die Dekarbonisierung der Luftfahrt ist besonders anspruchsvoll. Flugzeuge benötigen Kraftstoffe mit extrem hoher Energiedichte, um ein vertretbares Gewicht und eine ausreichende Reichweite zu gewährleisten. Mit der heutigen Batterietechnologie lässt sich für Langstreckenflüge nicht genug Energie speichern, ohne ein prohibitives Zusatzgewicht zu verursachen, das einen kommerziellen Betrieb unwirtschaftlich machen würde. Die Luftfahrt verursacht derzeit etwa drei Prozent der vom Menschen verursachten weltweiten Kohlendioxidemissionen. Dieser Anteil dürfte wachsen, wenn die Zahl der Passagiere bis 2035 auf jährlich 7,5 Milliarden steigt.
Solarkraftstoffe bieten eine überzeugende Lösung, weil sie als direkte Ersatzstoffe für herkömmliche fossile Kraftstoffe eingesetzt werden können. Aus Kohlendioxid und Sonnenlicht hergestelltes Kerosin kann bestehende Flugzeugtriebwerke ohne Umbauten antreiben. Methanol wiederum kann als Schiffskraftstoff oder als chemischer Rohstoff für die Arzneimittelherstellung dienen. Da bei der Verbrennung dieser Kraftstoffe nur das bei der Herstellung aufgenommene Kohlendioxid freigesetzt wird, entsteht ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf. So gelangen keine zusätzlichen Treibhausgase in die Atmosphäre, und die bestehende Kraftstoffinfrastruktur kann weiter genutzt werden.
Der Internationale Luftverkehrsverband hat nachhaltige Flugkraftstoffe als entscheidend für das Ziel ausgewiesen, bis 2050 netto keine Kohlendioxidemissionen mehr zu verursachen. Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass solche Kraftstoffe bis 2030 zehn Prozent des Flugkraftstoffbedarfs decken könnten und bis 2040 fast zwanzig Prozent. Derzeit liegt ihr Anteil am Gesamtverbrauch jedoch bei weniger als null Komma eins Prozent. Das macht deutlich, wie stark die Produktion ausgeweitet werden müsste, um diese Ziele zu erreichen, selbst wenn sich die Technologien bereits im Labor und in Pilotanlagen bewähren.
Hürden auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung
Trotz der bemerkenswerten wissenschaftlichen Fortschritte stehen einer breiten Nutzung von Solarkraftstoffen erhebliche Hindernisse entgegen. Die Kosten sind die größte Hürde für die Wirtschaftlichkeit. Schweizer Forscher schätzen, dass Solarkerosin bei großtechnischer Herstellung zwischen einem Dollar fünfunddreißig Cent und zwei Dollar zwanzig Cent pro Liter kosten würde. Damit kommt es der Wettbewerbsfähigkeit mit herkömmlichem Flugkraftstoff näher. Die hohen Anfangsinvestitionen für Industrieanlagen erschweren jedoch den Ausbau und bergen Risiken für frühe Investoren.
Auch geografische Bedingungen schränken das Produktionspotenzial ein. Für die Herstellung von Solarkraftstoffen wird viel Sonnenlicht benötigt, weshalb Wüstenregionen als Standorte für Anlagen besonders geeignet sind. Der Transport der dort erzeugten Kraftstoffe zu großen Verkehrsknotenpunkten erfordert jedoch umfangreiche Investitionen in die Infrastruktur und eine sorgfältige logistische Planung. Anders als Biokraftstoffe, die häufig mit der Nahrungsmittelproduktion um landwirtschaftliche Flächen konkurrieren, können Solarkraftstoffe auf unfruchtbaren Wüstenflächen hergestellt werden. So bleibt wertvolles Acker- und Weideland für den Anbau von Nutzpflanzen und die Viehzucht erhalten, während Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung genutzt werden.
Technische Herausforderungen bestehen weiterhin bei der Verbesserung des Wirkungsgrads und der Haltbarkeit der Systeme. Die jüngsten Durchbrüche bedeuten zwar erhebliche Fortschritte gegenüber früheren Technologien, doch wandeln die derzeitigen Systeme weiterhin nur einen Teil der verfügbaren Solarenergie in chemische Bindungen um. Zum Vergleich: Die natürliche Photosynthese erreicht einen Wirkungsgrad von etwa einem Prozent. Bei bestimmten Reaktionsschritten wurden im Labor jüngst dreizehn bis fünfzehn Prozent erzielt, wie eine in Science veröffentlichte Studie zeigt. Weitere Forschung muss sich auf effizientere Katalysatoren, verbesserte Mechanismen zur Ladungstrennung und Systeme konzentrieren, die unter realen Bedingungen zuverlässig funktionieren, statt nur in kontrollierten Laborumgebungen mit gleichbleibender Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Politische Unterstützung scheint entscheidend, um die Lücke zwischen Erfolgen im Labor und der kommerziellen Nutzung zu schließen. Forscher schlagen Quotenregelungen vor, die Fluggesellschaften verpflichten würden, bestimmte Anteile ihres Kraftstoffs aus nachhaltigen Quellen zu beziehen. Eine garantierte Nachfrage könnte Investitionen in die Infrastruktur rechtfertigen. Solche Regelungen könnten den Ausbau beschleunigen und durch höhere Produktionsmengen die Kosten senken, ähnlich wie es in den vergangenen zwei Jahrzehnten bei Solarmodulen und Windkraftanlagen gelungen ist.
Das Wichtigste
- Chinesische Wissenschaftler haben ein von Pflanzen inspiriertes System entwickelt, das mithilfe von mit Silber modifiziertem Wolframtrioxid Kohlendioxid und Wasser durch Sonnenlicht in Kraftstoffvorläufer umwandelt. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
- Die Technologie nutzt einen Ladungsspeicher, der elektrische Energie speichert und chemische Reaktionen antreibt. Dadurch werden nicht nachhaltige Opferreagenzien überflüssig.
- In der Schweiz, Japan, dem Vereinigten Königreich und Indien wird parallel an ähnlichen Solarkraftstofftechnologien mit unterschiedlichen Ansätzen und Wirkungsgraden geforscht.
- Solarkraftstoffe bieten besonders großes Potenzial für die Dekarbonisierung der Luft- und Schifffahrt, die sich aufgrund des hohen Energiebedarfs nur schwer elektrifizieren lassen.
- Die derzeitigen Kostenschätzungen für Solarkerosin liegen bei 1,35 bis 2,20 US-Dollar pro Liter. Für die Produktion in großem Maßstab sind erhebliche Investitionen in die Infrastruktur erforderlich.
- Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass nachhaltige Flugkraftstoffe bis 2030 zehn Prozent und bis 2040 zwanzig Prozent des Bedarfs decken könnten, sofern die Herausforderungen beim Ausbau bewältigt werden.
