Wasserstoff soll im künftigen Energiesystem eine wichtige Rolle spielen. Forscher aus Ulm arbeiten mit Kollegen aus Jena und Wien an der klimaneutralen Produktion des Gases. Nun wurden weitere 12 Millionen Euro für ihr Projekt bewilligt.
Wenn Sven Rau über eine Wiese läuft, ist er manchmal frustriert. „Jeder Grashalm kann schon seit Ewigkeiten das, woran wir jeden Tag im Labor arbeiten“, denkt sich der Chemieprofessor dann. Sein Ziel: Die Fotosynthese der Pflanzen so nachahmen, dass sie irgendwann in der Zukunft als klimaneutrale Energiequelle dienen kann.
Jetzt stecken Raus Hände in den Gummihandschuhen einer Handschuhbox, in die weder Sauerstoff noch Feuchtigkeit gelangen. „Beides mögen unsere Katalysatoren nicht“, sagt der Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm. Rau befüllt ein Glasröhrchen mit einer Flüssigkeit und verschließt es mit einer Gummikappe. Dann nimmt er das Gefäß aus der Kammer und stellt es in ein Kästchen, wo es von bläulichem LED-Licht durchstrahlt wird.
Lesen Sie aus unserem Angebot: Wasserstoff – was kann er wirklich?
Die Katalysatoren, von denen Rau spricht, sind komplizierte Moleküle, welche die Energie des Lichts einfangen und nutzbar machen können – ähnlich wie das Chlorophyll in den grünen Blättern von Pflanzen, das bei der natürlichen Fotosynthese eine Schlüsselrolle spielt. „Wir wollen die Natur aber nicht kopieren, sondern von ihr lernen“, sagt der Chemiker. Während Pflanzen mithilfe von Licht, Wasser und CO2 Zucker und Stärke produzieren, wollen Rau und seine Kollegen zunächst „nur“ klimaneutralen Wasserstoff erzeugen – was kompliziert genug ist.
Wasserstoffproduktion in zwei Schritten
Kürzlich konnten die Forscher dabei einen wichtigen Erfolg vermelden. Wie sie im Fachblatt„Nature Chemistry“ schreiben, ist es ihnen gelungen, die Wasserstoffproduktion in zwei Einzelschritte zu zerlegen: eine Licht- und eine Dunkelreaktion, wie sie auch bei der natürlichen Fotosynthese vorkommen. „Die einzelnen chemischen Prozesse verlaufen allerdings etwas anders“, so Rau. Im Rahmen des interdisziplinären Forschungsverbunds Catalight arbeiten Rau und sein Team seit vier Jahren eng zusammen mit Kollegen der Universität Jena sowie mit Forschern aus Mainz und Wien.
Bisher wurde das Projekt mit zehn Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Vergangene Woche kam die Finanzierungszusage für die nächste Projektphase. Bis 2026 sollen dafür rund zwölf Millionen Euro fließen. Die Wasserstoffproduktion in zwei Schritten macht es möglich, die Energie des Sonnenlichts zumindest für mehrere Stunden in einer Flüssigkeit zu speichern.
Daraus kann dann bei Bedarf in kurzer Zeit Wasserstoff erzeugt werden – sozusagen auf Knopfdruck. So könnten potenzielle Verbraucher – etwa eine Wasserstofftankstelle für Brennstoffzellen-Lkw, ein Stahlwerk oder eine chemische Produktionsanlage – nicht nur bei Sonnenschein, sondern rund um die Uhr mit grünem Wasserstoff versorgt werden. Bislang wird klimaneutraler Wasserstoff per Elektrolyse erzeugt. Dabei wird Wasser mithilfe von Ökostrom in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Am Ende liegen dann im besten Fall rund 80 Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie in Form von Wasserstoff vor. Der Rest wird als Wärme frei. Die von Sven Rau im Catalight-Verbund mitentwickelte Methode verwandelt Licht dagegen direkt in chemische Energie, so dass der Zwischenschritt der Elektrolyse entfallen kann.
Lesen Sie aus unserem Angebot: Wie der Klimakiller CO2 zum nützlichen Rohstoff wird
Elektrolyse wird überflüssig
Allerdings funktioniert das bis jetzt nur im Labormaßstab – in jenen Glasröhrchen, die gerade mal drei Milliliter fassen und aus denen die Forscher den Wasserstoff entnehmen, indem sie mit einer kleinen Spritze durch die Gummikappe stechen. „Bis jetzt haben wir immer nur mit ein paar Milligramm unserer Katalysatoren gearbeitet“, erzählt Rau. Für Versuche im größeren Rahmen sei ein Mitarbeiter gerade dabei, drei Gramm des bislang vielversprechendsten Moleküls zu synthetisieren.
Dieses Molekül ist ein richtiger Alleskönner, weil es alle Funktionen in sich vereint, die für die Wasserstoffproduktion gebraucht werden: Es absorbiert Licht und speichert dessen Energie ähnlich wie ein Akku in Form negativer elektrischer Ladungen (Elektronen). Kommt das Molekül mit positiven Ladungen (Protonen) in Berührung – etwa durch Zugabe von Essigsäure – gibt es seine Ladung ab, wobei Wasserstoff entsteht. Anschließend kann es erneut beladen werden.
Lesen Sie aus unserem Angebot: Champagner des Energiewandels
Verbesserte Katalysatoren
Um so weit zu kommen, wurde viel Hirnschmalz in die Entwicklung der Katalysatoren investiert. So ist es gelungen, deren Leistung und Haltbarkeit deutlich zu verbessern. Jüngst haben die Forscher auch eine Methode publiziert, mit der sich erschöpfte Katalysatormoleküle nach dem Vorbild der Natur reparieren lassen, so dass sie viel länger durchhalten. Die ersten Katalysatoren hätten teilweise bereits nach der Produktion von vier Wasserstoffmolekülen den Geist aufgegeben, erzählt Rau. „Heute schaffen sie bis zu 1000 Moleküle.“ Aus Gründen der Nachhaltigkeit wollen es die Forscher auch noch schaffen, ohne seltene Metallatome in den Katalysatoren auszukommen. Die aktuelle Variante enthält noch das Übergangsmetall Ruthenium als wichtige Komponente.
Ähnlich wie eine Solarthermieanlage
Trotz der jüngsten Fortschritte seien mögliche praktische Anwendungen noch viele Jahre entfernt, sagt Rau. „Wir machen hier Grundlagenforschung.“
Das hält ihn aber nicht davon ab, sich jetzt schon auszumalen, wie sich die Methode dereinst nutzen lassen könnte. Rau stellt sich ein System vor, das ähnlich funktioniert wie eine Solarthermieanlage: In Kollektoren auf Dächern oder an Fassaden sammelt die Flüssigkeit mit dem Katalysator die Energie des Sonnenlichts ein. Dann wird diese „aufgeladene“ Flüssigkeit in einem Behälter zwischengelagert, um zum gewünschten Zeitpunkt Wasserstoff zu erzeugen, bevor der Kreislauf erneut beginnt.
„Dadurch würde unsere Welt ein bisschen bunter“, meint Rau. Denn die Speicherflüssigkeit verändert je nach Energieniveau ihre Farbe – von Gelbrot im entladenen Zustand bis Grünlichblau im beladenen Zustand.
Energie aus Licht
Partner
Im Sonderforschungsbereich Catalight arbeiten die federführenden Universitäten Jena und Ulm mit der Universität Wien, dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena zusammen. Geplant ist auch eine Kooperation mit dem Ulmer Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW).
Ziel
Die Forscher entwickeln Grundlagen für die Herstellung von Wasserstoff nach dem Vorbild der Fotosynthese. Fernziel ist die Herstellung künstlicher Chloroplasten – also jener Bestandteile von Pflanzenzellen, in denen die Fotosynthese vor sich geht.
Aktion Weihnachten