Treibstoff aus Sonnenlicht?

von Simon Koechlin

Die Energie der Zukunft muss sauber und sicher sein. Und sie muss den Bedarf von Milliarden Menschen decken. Ohne chemische Neuentwicklungen ist das nicht möglich.

Die heutige Energieversorgung gleicht einem Pulverfass. Atomkraftwerke bergen die Gefahr einer Verstrahlung weiter Landstriche, und das Verbrennen von Erdöl erwärmt langsam, aber sicher die Atmosphäre – mit unabsehbaren Folgen für Menschen, Tiere und Pflanzen. Wie können wir den weltweiten Energiehunger stillen, ohne unseren Planeten zugrunde zu richten? Und welche Rolle spielt dabei die Chemie?
«Eine grosse», sagt Alexander Wokaun, Leiter des Forschungsbereichs Allgemeine Energie am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen. Er verweist auf eine Studie der Denkfabrik «Energie Trialog Schweiz», deren Kerngruppe er angehört. Die Untersuchung zeigt auf, wie die hohe Lebensqualität in der Schweiz gesichert und gleichzeitig der CO2-Ausstoss und der Energieverbrauch gesenkt werden können, wenn die Wirtschaft jährlich um 1 Prozent wächst, der Energiebedarf pro Einheit der Wertschöpfung aber um 2 Prozent pro Jahr sinkt. Als Zielvorgabe sollen im Jahr 2050 erneuerbare Techniken über die Hälfte der Energie bereitstellen. Um dies zu erreichen, sei ein breiter Mix aus diversen Energieformen nötig, sagt Wokaun. Vor allem im Verkehr muss die Effizienz erhöht werden, was nur mit neuen chemischen Entwicklungen möglich ist.
Im Jahr 2050 werden laut Wokaun auf den Schweizer Strassen wohl Autos mit ganz verschiedenen Antriebsarten unterwegs sein: der konventionelle Verbrennungsmotor neben unterschiedlichen Hybridtypen, das Elektrofahrzeug neben dem Auto mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Noch aber ist es nicht soweit: Heute weisen zum Beispiel die Batterien von Elektroautos eine zu geringe Leistungsdichte auf. Das heisst: Damit ein Elektroauto weite Strecken fahren könnte, müsste die Batterie gross und schwer sein. Mit dem Gewicht steigt aber der Energieverbrauch.

Leistungsfähigere Lithium-Ionen-Akkus

Chemikerinnen und Chemiker suchten deshalb auf verschiedenen Wegen nach platzsparenderen Arten der Elektrizitätsspeicherung, sagt Wokaun. Ein Beispiel sei die Entwicklung neuer Materialien bei den herkömmlichen Lithiumbatterien. Massgeschneiderte Oxide etwa aus den Klassen der Perowskite oder Spinelle könnten Lithium-Ionen-Akkus in Zukunft leistungsfähiger machen. Zudem gibt es vielversprechende neue Konzepte, die noch nicht ausgereift sind; zum Beispiel den Lithium-Luft-Akku, bei dem Sauerstoff als Reaktionspartner des Metalls Lithium fungiert. Geforscht wird auch an der Lebensdauer der Batterien: Ein Fahrzeug-Akku muss Tausende Male aufgeladen und entladen werden können. Und er muss sicher sein: Techniken müssen zum Beispiel gewährleisten, dass das hochreaktive Lithium nicht mit dem Elektrolyten oder gar mit Wasser oder feuchter Luft reagiert.
Grosse Hoffnung setzen die Chemiker am PSI in die Entwicklung von Brennstoffzellen, die Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, Wärme und elektrische Energie umwandeln. Die beiden chemischen Elemente sind in der Brennstoffzelle durch eine hauchdünne Folie getrennt. Die dichte Membran soll nur die Wasserstoffkerne, die Protonen, möglichst effizient leiten. Die Elektronen werden über die anzutreibende Last geführt und reduzieren auf der Gegenelektrode den Sauerstoff. Bei den für diese Vorgänge benötigten Materialien gibt es noch grosses Verbesserungs­potential, das Chemiker ausloten.
Eine andere, oft diskutierte Möglichkeit für die Zukunft: statt fossilen Benzinen oder Diesel Biotreibstoffe in den Autotank füllen. In letzter Zeit wurden einige dieser Methoden allerdings in Frage gestellt, weil sie die Nahrungsmittelproduktion konkurrenzieren. Das PSI konzentriere sich darum auf die Erforschung der Herstellung von Methan aus Abfallbiomasse, etwa für Gasfahrzeuge, sagt Wokaun. Dabei werden pflanzliche Abfälle wie Grünschnitt, Jauche oder Klärschlamm zuerst unter hohen Druck gesetzt. Danach werden die Nährstoffe durch Erhitzen ausgefällt, um sie als Dünger wiederverwenden zu können. Die verbleibende organische Substanz muss dann in Methangas umgewandelt werden – unter Verwendung eines unter aggressiven Bedingungen stabilen Katalysators.
Auch die Sonnenenergie ist ein wahrer Tummelplatz für Chemiker. In der Fotovoltaik etwa sind effizientere Materialien und günstigere Herstellungsverfahren gefragt. Bei den Solarzellen aus organischen Materialien geht es heute in erster Linie darum, neue Farbstoffe zu finden, die einen möglichst grossen Anteil des einfallenden Sonnenlichts einfangen und durch Ladungstrennung in Strom umzuwandeln vermögen. Gelingt es überdies, die Solarzellen immer dünner zu fertigen, wird weniger Material verbraucht, und die Kosten für die Strom­erzeugung sinken.

Wasser mit Sonnenlicht spalten

Vielleicht lässt sich dereinst aus Sonnenlicht nicht nur Strom erzeugen, sondern sogar Treibstoff. Die Vision bei dieser noch in der vorkommerziellen Entwicklung stehenden Technik: Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht spalten. Dazu wird ein Hilfsmedium benötigt, das mit hochkonzentriertem Sonnenlicht auf etwa 2000 Grad Celsius erwärmt wird und diese Energie speichert. Es treibt dann eine Reaktion an, bei der aus Wasser und Kohlendioxid ein Gas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid entsteht – das so genannte Synthese­gas, eine Vorstufe von Benzin, Kerosin und anderen flüssigen Treibstoffen. Am PSI und an der ETH Zürich laufen laut Wokaun verschiedene Projekte in diese Richtung. Für nächstes Jahr sei unter anderem geplant, in einer Testanlage in Frankreich nachzuweisen, dass dieser Prozess im grösseren Massstab mit ansprechendem Wirkungsgrad durchführbar ist.
 Auch bei allen anderen Energieformen spiele die Chemie eine wichtige Rolle, sagt Wokaun. Für die Windenergie werden Materialien erforscht, mit denen sich die Rotoren beschichten und gegen Vereisung schützen lassen. In der Geothermie braucht es geeignete Bohrflüssigkeiten. Und bei der Kernenergie erproben Chemiker und Physikerinnen neue Verfahren, mit denen die Spaltprodukte von den schweren Kernen getrennt werden können. Zudem entwickeln Material­forschende neue Strukturmaterialien, die in Kernreaktoren der vierten Generation bei hohen Temperaturen Einsatz finden könnten und die Entstehung und Ausbreitung von Rissen verhindern. Zuviel aber dürfe man von der Wissenschaft nicht erwarten, warnt Wokaun. Chemikerinnen und Chemiker könnten zwar Methoden und Techniken bereitstellen und verbessern, doch welche davon eingesetzt würden, entscheide letztlich die Gesellschaft.     •

Quelle: Horizonte Nr. 89, Juni 2011