Unsere Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Ließe sich nur ein Bruchteil der auf die Erde treffenden Sonnenstrahlen anzapfen, könnten wir Strom und Wärme im Überfluss gewinnen. Mit Solarzellen, Sonnenkollektoren und solarthermischen Kraftwerken gelingt es immer besser, die solare Energiequelle zur Produktion von Strom und Wärme zu nutzen und so den Anteil an fossilen Energieträgern zu reduzieren. Das geht aber bekanntlich nur so lange, wie die Sonne scheint. Will man nachts oder an bewölkten Tagen die am Tag gesammelte Solarenergie nutzen, kommt man an effizienten Speichern nicht vorbei. Während für den Stromsektor bereits leistungsfähige Großbatterien zur Verfügung stehen, mangelt es im Wärmebereich an effizienten und günstigen Speichern.
Die gängigen Warmwasserspeicher können zwar große Wärmemengen über Sonnenkollektoren aufnehmen, aber meist nur einige Tage bereitstellen. Denn sie verlieren trotz Dämmung einen großen Teil der Wärme an die Umgebung. Flüssigsalzspeicher – sie werden vor allem in solarthermischen Kraftwerken genutzt, um Strom zu erzeugen – benötigen viel Platz und sind vergleichsweise teuer. Gesucht werden günstige solare Speicher, die die aufgenommene Wärme ohne Verluste möglichst lange vorhalten können und ähnlich wie eine Batterie auf Knopfdruck freisetzen.
Wärme in chemischer Energie gespeichert
Große Hoffnung setzen die Forscher auf sogenannte molekulare solarthermische Speichersysteme (MOST). Hierbei nehmen photoaktive Moleküle Sonnenenergie direkt auf und speichern diese in Form chemischer Energie in ihren Bindungen. Das angeregte Molekül ändert dabei seine Struktur. Erst wenn man einen Katalysator hinzugibt, das Molekül leicht erhitzt oder mit Licht einer anderen Wellenlänge bestrahlt, kehrt es in seinen Ausgangszustand zurück. Dabei setzt es die überschüssige Energie als Wärme frei. Auf diese Weise sind Speicherzeiten von einigen Monaten und länger möglich. Ein weiterer Vorteil: aufgrund der langen Speicherzeiten können die molekularen Speichersysteme jederzeit dorthin transportiert werden, wo man sie benötigt.
Allerdings sind die bisherigen MOST-Systeme für die praktische Anwendung noch nicht ausgereift. Viele der bekannten photoaktiven Moleküle verlieren die gespeicherte Energie zu schnell und unkontrolliert. Sie absorbieren nur den ultravioletten Bereich des Sonnenlichts und lassen sich nicht in großen Mengen herstellen. Ein weiterer Nachteil: Sie lösen sich meist nur in giftigen Lösungsmitteln.
Doch es gibt einen Silberstreifen am Horizont. Chemiker um Grace Han von der University of California in Santa Barbara haben einen flüssigen wiederaufladbaren thermischen Speicher entwickelt, der sich beliebig oft wiederverwenden lässt und die einmal gespeicherte Energie lange puffern kann. Der Speicher, den Han und ihre Kollegen in „Science“ vorstellen, weist zudem eine im Vergleich zu anderen solaren Wärmespeichern deutlich höhere Energiedichte auf und kann Wasser zum Kochen bringen.
Sonnenbrand weckt Forschergeist
Die Forscher um Han haben sich bei der Wahl ihres molekularen Speichermoleküls an der organischen Verbindung Pyrimidin orientiert, einem Baustein der DNA-Nukleobasen Cytosin und Thymin. Das heterozyklische aromatische Amin Pyrimidin verändert seine molekulare Struktur, wenn es mit UV-Licht bestrahlt wird, und verwandelt sich in ein stabiles energiereiches Isomer. Dieser photochemische Vorgang führt bei einem Sonnenbrand zur Schädigung der DNA in den Hautzellen. Pflanzen und Tiere entwickeln ein Enzym, das die beschädigte DNA repariert, indem sie das energiereiche Isomer in seine energieärmere Variante zurückverwandeln.
Die Forscher synthetisierten das Pyrimidin-Molekül im Labor und modifizierten es für ihre Zwecke: Herausgekommen ist eine aromatische Verbindung, die, wenn man sie mit UV-Licht mit einer Wellenlänge von 300 Nanometern bestrahlt, in eine gestreckte energiereiche Struktur übergeht – ähnlich wie eine Feder, die man spannt. In dieser bleibt das angeregte Molekül stabil – solange, bis es durch einen Auslöser in den Ausgangszustand zurückkehrt. Dann wird die gespeicherte Energie schlagartig frei. Das synthetische Pyrimidin ist bei Raumtemperatur flüssig und lässt sich mit Wasser vermischen. Ideale Voraussetzung also, für die Verwendung als solarthermischer Speicher.
Pyrimidin ist die fast ideale Wärmebatterie
Auch was die Energiedichte betrifft, ist das Molekül nach Aussagen der Forscher unschlagbar. Kalorimetrische Untersuchungen zeigen, dass ein Molekül eine Energie von 228 Kilojoule pro Mol speichern kann. Umgerechnet auf ein Kilogramm entspricht das einer Energie von 1,6 Megajoule. Das ist etwa das Doppelte einer klassischen Lithium-Ionen-Batterie. In einem Praxistest haben die Forscher 107 Milligramm des synthetischen Pyrimidins in etwa 0,5 Milliliter Wasser gegeben und mit einer künstlichen Lichtquelle bestrahlt. Als sie in die Lösung Salzsäure als Katalysator tropften, entwickelte sich so viel Wärme, dass das Wasser sofort zu sieden begann. Das Pyrimidin ließ sich wiedergewinnen und wiederverwenden. Damit sei, so schreiben die Forscher, die Tür zur praktischen Anwendung von MOST-Speichern geöffnet.
Weil das synthetische Pyrimidin in Wasser löslich ist, könnte man es durch Sonnenkollektoren pumpen. Über einen Wärmetauscher ließe sich Wasser zu jeder Tageszeit für den täglichen Gebrauch erhitzen. Auch im Alltag könnten molekulare Wärmespeicher ihre Anwendung finden, etwa beim Camping zum Kochen oder zum stromlosen Erhitzen von Wasser. Allerdings hat die Wärmebatterie aus Santa Barbara wie alle bekannten MOST-Speicher den Nachteil, dass sie nur UV-Licht absorbiert, das im Sonnenspektrum eine niedrige Intensität hat. Künftige molekulare Wärmespeicher sollten einen Großteil des sichtbaren Sonnenlichts absorbieren können.
Die Forscher um Han wollen nun mithilfe von KI zahlreiche organische Moleküle gezielt nach ihrer Fähigkeit untersuchen, Sonnenenergie ähnlich wie Pyrimidin chemisch zu speichern. Man hofft, darunter auch Kandidaten zu finden, die sichtbares Licht absorbieren.
