Neues Molekül zur enormen Verstärkung des Solarenergiepotenzials

Die Sonne ist nicht nur die ergiebigste Energiequelle, die der Menschheit bekannt ist, sie ist auch unendlich erneuerbar, solange sie noch da ist. Es erzeugt weiterhin täglich erstaunliche Mengen an Energie, egal ob es regnet oder scheint. Solarenergie kann auf viele verschiedene Arten gesammelt und gespeichert werden, und die Nutzung von Solarenergie emittiert keine Treibhausgase, was dazu beitragen kann, die Auswirkungen des Klimawandels zu verringern. Aus diesen Gründen wird Solarenergie immer häufiger als primäre Quelle für erneuerbare Energie ausgewählt. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis die Menschheit Wege findet, Sonnenenergie effizienter zu nutzen – wie die unten beschriebene Innovation.

Sonnenlicht manipulieren

Es gibt zwei Hauptarten von Solarenergie: Photovoltaik (PV) und konzentrierte Solarenergie (CSP), auch Solarthermie genannt. Photovoltaik wandelt Sonnenlicht mithilfe von Solarzellen in Solarmodulen direkt in Strom um. Konzentrierte Solarenergie verwendet Sonnenlicht, um eine Flüssigkeit zu erhitzen, die Dampf erzeugt und eine Turbine antreibt, um Energie zu erzeugen. PV macht derzeit 98 % der weltweiten Solarenergie aus, CSP macht die restlichen 2 % aus.

PV und CSP unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie verwendet werden, der erzeugten Energie und den Materialien, die bei ihrer Konstruktion verwendet werden. Die Effizienz der mit PV erzeugten Energie bleibt mit der Größe des Solarpanels konstant, was bedeutet, dass die Verwendung eines kleineren gegenüber einem größeren Solarpanel die Energieerzeugungsrate nicht erhöht. Dies liegt an den Balance-of-System (BOS)-Komponenten, die auch in Solarmodulen verwendet werden, zu denen die Hardware, Anschlussboxen und Wechselrichter gehören.

Bei CSP ist größer gleich besser. Da es die Wärme der Sonnenstrahlen nutzt, ist es umso besser, je mehr Sonnenlicht gesammelt werden kann. Dieses System ist den heute verwendeten fossilen Kraftwerken sehr ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass CSP Spiegel verwendet, die die Wärme des Sonnenlichts reflektieren, um Flüssigkeiten zu erhitzen (anstatt Kohle oder Erdgas zu verbrennen), die Dampf erzeugen, um Turbinen anzutreiben. Dadurch eignet sich CSP auch gut für Hybridanlagen, wie z. B. Gasturbinen mit kombiniertem Zyklus (CCGT), die Solarenergie und Erdgas verwenden, um Turbinen anzutreiben und Energie zu erzeugen. Mit CSP ergibt die Energieabgabe aus einfallender Sonnenenergie nur 16 % Nettostrom. Die CCGT-Energieleistung liefert ~55 % Nettostrom, viel mehr als CSP allein.

Aus bescheidenen Anfängen

Anders Bo Skov und Mogens Brøndsted Nielsen von der Universität Kopenhagen versuchen, ein Molekül zu entwickeln, das Sonnenenergie effizienter ernten, speichern und abgeben kann als PV oder CSP. Unter Verwendung des Dihydroazulen/Vinylhepta-Fulven-Systems, kurz DHA/VHF, haben die beiden große Fortschritte in ihrer Forschung gemacht. Ein Problem, auf das sie anfangs stießen, war, dass mit zunehmender Speicherkapazität der DHA/VHF-Moleküle die Fähigkeit, die Energie über einen längeren Zeitraum zu halten, abnahm. Mogens Brøndsted Nielsen, Professor an der Fakultät für Chemie, sagte: „Unabhängig davon, was wir getan haben, um dies zu verhindern, würden die Moleküle ihre Form zurückändern und die gespeicherte Energie nach nur ein oder zwei Stunden freisetzen. Anders' Leistung war, dass es ihm gelang, die Energiedichte in einem Molekül zu verdoppeln, das hundert Jahre lang seine Form behalten kann. Unser einziges Problem ist jetzt, wie wir es dazu bringen, die Energie wieder freizusetzen. Das Molekül scheint seine Form nicht wieder zurückverwandeln zu wollen.“

Da die Form des neuen Moleküls stabiler ist, kann es die Energie länger halten, erleichtert aber auch die Arbeit. Es gibt eine theoretische Grenze dafür, wie viel Energie eine bestimmte Einheit von Molekülen aufnehmen kann, dies wird als Energiedichte bezeichnet. Theoretisch kann 1 Kilogramm eines sogenannten „perfekten Moleküls“ 2.2 Megajoule Energie speichern, also die maximale Energiemenge halten und bei Bedarf wieder abgeben. Das ist ungefähr genug Energie, um 1 Liter (3 Gallonen) Wasser von Raumtemperatur bis zum Sieden zu erhitzen. Die gleiche Menge an Skov-Molekülen kann 0.8 Milliliter (750 Quarts) in 3.2 Minuten von Raumtemperatur zum Sieden bringen, oder 3 Liter (15 Gallonen) in einer Stunde. Während die DHA/VHF-Moleküle nicht so viel Energie speichern können wie ein „perfektes Molekül“, ist es eine beträchtliche Menge.

Die Wissenschaft hinter dem Molekül

Das DHA/VHF-System besteht aus zwei Molekülen, DHA und VHF. Das DHA-Molekül ist für die Speicherung der Sonnenenergie verantwortlich und VHF setzt sie frei. Sie tun dies, indem sie ihre Form ändern, wenn sie äußeren Reizen ausgesetzt werden, in diesem Fall Sonnenlicht und Hitze. Wenn DHA Sonnenlicht ausgesetzt wird, speichert es die Sonnenenergie, wodurch das Molekül seine Form in die VHF-Form ändert. Im Laufe der Zeit sammelt VHF Wärme, sobald es genug gesammelt hat, kehrt es in seine DHA-Form zurück und setzt die Sonnenenergie frei.

Am Ende des Tages

Anders Bo Skov ist ziemlich begeistert von dem neuen Molekül, und das aus gutem Grund. Obwohl es noch keine Energie freisetzen kann, sagt Skov: „Wenn es um die Speicherung von Solarenergie geht, kommt unsere größte Konkurrenz von Lithium-Ionen-Batterien, und Lithium ist ein giftiges Metall. Mein Molekül setzt bei der Arbeit weder CO2 noch andere chemische Verbindungen frei. Es ist „Sonnenlicht rein – Strom raus“. Und wenn das Molekül eines Tages aufgebraucht ist, zerfällt es zu einem Farbstoff, der auch in Kamillenblüten vorkommt.“ Das Molekül wird nicht nur in einem Prozess verwendet, der während seiner Verwendung wenig bis gar keine Treibhausgase freisetzt, sondern wenn es schließlich zu einer inerten Chemikalie abgebaut wird, die natürlicherweise in der Umwelt vorkommt.