Die Speicherung der Sonnenenergie in chemischer Form ermöglicht einen langen Transport und eine lange Speicherung. Was verhindert die Umsetzung dieses Ansatzes?
Es gibt zwei Hauptansätze zur Gewinnung von Sonnenenergie: Erstens sind dies Sonnenkollektoren, die die Energie der Sonnenstrahlung in Elektrizität umwandeln; zweitens Anlagen, die die Wärmeenergie der Sonne in Warmwasser umwandeln, das entweder in Heizungs- und Warmwasserversorgungssystemen genutzt werden kann oder (bei Erreichen des Siedepunktes) als Arbeitsmedium der Turbine dient. Aber es gibt noch einen dritten Ansatz, dessen Potenzial schon vor Jahrzehnten erkannt wurde. Aufgrund des Mangels an praktischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten zur Umsetzung dieses Ansatzes wurde er jedoch lange Zeit ins Abseits gedrängt.
Dies ist eine thermochemische Methode zur Speicherung von Sonnenenergie, bei der chemische Bindungen als Energiespeicher genutzt werden. Und im Gegensatz zu Systemen, die ein erhitztes Kühlmittel verwenden, erfordert die thermochemische "Speicherung" von Energie keine effektive Wärmedämmung und kann Energie über viele Jahre speichern.
Wissenschaftler untersuchen seit den 1970er Jahren thermochemische Sonnensysteme, aber sie standen vor einem ernsthaften Problem: Niemand konnte eine Substanz finden, die zuverlässig und reversibel zwischen zwei Zuständen „umsch alten“kann. Eine solche Substanz sollte die Energie der Sonne absorbieren und von Zustand Nr. 1 in Zustand Nr. 2 übergehen und dann zur richtigen Zeit Energie freisetzen und in Zustand Nr. 1 zurückkehren. Eine dieser Verbindungen wurde 1996 entdeckt, enthält jedoch Ruthenium, ein eher seltenes und teures Element, was eine weit verbreitete Verwendung dieser Substanz unpraktisch macht. Außerdem verstand niemand den Mechanismus dieser Verbindung, was die Suche nach billigeren Analoga erschwerte.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) gelang es, dieses Rätsel zu lösen. Als Ergebnis einer Reihe von Experimenten und theoretischen Studien konnten sie genau herausfinden, wie die Moleküle von (Fulvalen)tetracarbonyldiruthenium die Funktion der Energieaufnahme und -abgabe erfüllen. Dieses Verständnis ebnet laut Wissenschaftlern den Weg zur Herstellung ähnlicher Substanzen auf der Basis weniger seltener und teurer Elemente als Ruthenium.
Tatsächlich durchläuft das Molekül strukturelle Umwandlungen, absorbiert die Energie der Sonnenstrahlung und geht in einen höheren Energiezustand über, in dem es für eine unbestimmte Zeit bleiben kann. Wenn es dann einem Katalysator ausgesetzt wird, kehrt das Molekül in seine ursprüngliche Form zurück und gibt dabei Wärme ab. Aber die Forscher fanden heraus, dass der Prozess tatsächlich etwas komplizierter ist.
„Es stellt sich heraus, dass es einen Zwischenschritt gibt, der eine wichtige Rolle spielt“, sagt Jeffrey Grossman, Erstautor der in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlichten Studie. Auf halbem Weg zwischen zwei zuvor bekannten Zuständen bilden Moleküle halbstabile Konfigurationen. Laut Grossman war dies eine unerwartete Entdeckung. Das Vorhandensein eines energetischen Zwischenschritts ermöglicht es, die Stabilität der Endzustände des Moleküls zu erklären sowie warum der Prozess reversibel ist und warum Verbindungen mit anderen Elementen anstelle von Ruthenium „nicht funktionierten“.
Fulvalen-Tetracarbonyldiruthenium-basierter „Solarbrennstoff“, sagt Grossman, kann Temperaturen von etwa 200°C erreichen, genug, um ein Gebäude zu heizen oder einen Stromgenerator zu betreiben. Es kann lange ohne „Energieverlust“gelagert und nach Gebrauch zum „Aufladen“in die Sonne gestellt werden. Das Problem der hohen Kosten von Ruthenium ist ein Schwachpunkt in diesem wunderbaren System. Aber jetzt, da Wissenschaftler herausgefunden haben, wie (Fulvalen)tetracarbonyldiruthenium funktioniert, wird es viel einfacher sein, einen Ersatz zu finden, sagt Grossman. „Wenn wir wissen, was dieses Material zum Funktionieren bringt, werden wir andere finden“, sagt er. Der nächste Schritt auf dem Weg zum billigen „Solarsprit“sollte die Suche nach Molekülen sein, die strukturelle Ähnlichkeiten mit der bekannten Rutheniumverbindung aufweisen und in der Lage sind, ein ähnliches Verh alten zu zeigen.
Chemiker Roman Bulatov (University of Illinois) sagt, dass „die wichtigste Errungenschaft dieser Forschung die Lösung bedeutender Probleme bei der quantenmechanischen Modellierung der Reaktion war“, was die Synthese neuer Substanzen ermöglichen wird, die speichern und freisetzen können Energie. Aber es gibt auch ungelöste Fragen, zum Beispiel - wie schwierig wird es sein, solche Verbindungen zu erh alten, und welche Art von Katalysator wird benötigt, um den Prozess zu starten?
In dem Video erklärt Jeffrey Grossman, wie „Solarbrennstoff“zum Speichern von Energie verwendet werden kann. Wie eine Batterie kann (Fulvalen)tetracarbonyldiruthenium „geladen“und „entladen“werden. Zum "Aufladen" genügt es, ihn in die Sonne zu stellen. Das „Entladen“(Wärmeerzeugung) kann über einen Katalysator gestartet werden. Berechnungen haben gezeigt, dass der Stoff beim Vorgang des „Entladens“einen bestimmten energetischen Zwischenzustand durchläuft, der durch zwei Energiebarrieren vom „oberen“(geladen) und „unteren“(entladen) getrennt ist.