Sonnenlicht zu Wasserstoff: Künstliche Photosynthese könnte Energieproblem lösen

Berlin - Mit Windrädern und Solarzellen allein ist die Energiewende kaum zu schaffen. Zu unstet weht der Wind - und auch die Sonne versteckt sich immer wieder hinter Wolken, was die Ausbeute von Solarzellen senkt. Wenn es gelänge, die schwankende Energie von Wind und Sonne zwischenzuspeichern, wäre viel gewonnen.

Warum aber erzeugt man mit Sonnenlicht nicht direkt Wasserstoff? Dieser ließe sich leicht speichern, er stünde auch nachts zur Verfügung, wenn die Sonne längst untergegangen ist. Künstliche Photosynthese nennen Wissenschaftler ein solches Verfahren, das ähnlich funktioniert wie die Photosynthese in Blättern: Lichtenergie wird genutzt, um energiereiche chemische Verbindungen zu erzeugen.

An Systemen zur künstlichen Photosynthese wird schon länger geforscht - doch nur mit mäßigem Erfolg. Nun berichten Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum Berlin und der TU Delft über einen Durchbruch: Mit einer einfachen Solarzelle sei es gelungen, fast fünf Prozent der Solarenergie chemisch in Form von Wasserstoff speichern. Die verwendete Solarzelle sei deutlich einfacher aufgebaut als die sonst eingesetzten Hochleistungszellen und komme ohne teure Halbleiter aus, schreiben Roel van de Krol und seine Kollegen im Fachblatt "Nature Communication".

"Wir haben hier das Beste aus zwei Welten kombiniert", sagte van de Krol. "Wir nutzen die chemische Stabilität und den niedrigen Preis von Metalloxiden, bringen dies mit einer sehr guten, aber recht einfachen Silizium-Dünnschicht-Solarzelle zusammen und erhalten so eine günstige, sehr stabile und leistungsstarke Zelle."

Eine Stunde Sonne auf 100 Quadratmeter = 3 Kilowattstunden

Herkömmliche Solarzellen erzeugen Strom aus Licht. Diesen könnte man dazu nutzen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten (Elektrolyse). Wasserstoff könnte dann direkt oder nach einer weiteren Umwandlung als Methan zur Energieerzeugung genutzt werden. Weil dabei aber zwei Verfahren kombiniert werden, Solarzellen plus Elektrolyse, sind die Kosten relativ hoch.

Günstiger dürfte es sein, den Wasserstoff direkt in einer Solarzelle zu erzeugen, wie es nun die Forscher aus Berlin und Delft demonstriert haben. Van de Krols Team hat eine Solarzelle aus Silizium mit einer Schicht aus Metalloxid kombiniert. Nur diese Schicht kommt in Kontakt mit einer zusätzlichen Wasserschicht und schützt so die empfindliche Siliziumzelle vor Korrosion - ein Problem vieler bisher im Labor entwickelter Zellen. Wenn Sonnenlicht auf die Zelle fällt, entsteht zwischen dem Metalloxid und der Solarzelle eine Spannung. Die Wassermoleküle werden aufgespalten, es entstehen Wasserstoff und Sauerstoff.

Der Wirkungsgrad der Zelle von fünf Prozent liegt noch deutlich unter dem Wert von zwölf Prozent, den US-Forscher 1998 mit einem anderen System erreichten. Doch die damals verwendeten Zellen bestanden aus den teuren Verbindungen Gallium-Arsenid und Gallium-Indium-Phosphium. Die Berliner und Delfter Wissenschaftler nutzten das deutlich günstigere Metalloxid Wismut-Vanadat. Theoretisch sollten damit Wirkungsgrade von neun Prozent möglich sein, erklärte van de Krol.

Nach Angaben der Wissenschaftler ist das Potential der künstlichen Photosynthese groß: In Deutschland könnten 100 Quadratmeter eines solchen Systems in einer einzigen Sonnenstunde drei Kilowattstunden Energie in Form von Wasserstoff abspeichern. Diese Energie würde dann nachts oder an bewölkten Tagen zur Verfügung stehen. Der gewonnene Wasserstoff könnte auch in Brennstoffzellen von Autos zum Einsatz kommen - oder nach einer Umwandlung in Methan als Kraftstoff von Erdgasautos. Die große Herausforderung bestehe darin, die Effizienz der Zelle deutlich zu erhöhen, schreiben die Forscher.

In der Politik weckt die neue elektrochemische Solarzelle große Hoffnungen. "Ich bin optimistisch, dass die Entwicklung der Forscher des Helmholtz-Zentrums und der Universität Delft dazu beitragen kann, Wasserstoff einfacher zu gewinnen, als das bisher der Fall ist", sagte Bundesumweltminister Peter Altmaier (CDU) der "Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung". Die Speicherung von Energie sei das "große Thema", "das uns im Zusammenhang mit der Energiewende in den nächsten Jahren beschäftigen wird".