„Die Energieversorgung würde flexibler und effizienter“

Gouder: Dafür gibt es bereits interessante Konzepte. An der Realisierung eines solchen Konzepts arbeiten wir derzeit am Institut.

Krause: Ein anderes Beispiel ist die Nutzung der Windkraft. Dabei wird in Deutschland regelmäßig nutzbare Energie vergeudet – denn wir haben bisher nur begrenzte Möglichkeiten, um produzierten Windstrom vorübergehend zu speichern. Auf Basis unserer Technologie jedoch haben wir ein System, das sich entweder als Energiespeicher oder dafür nutzen ließe, den Strom in chemische Energieträger umzuwandeln – wenn auch nur mit recht geringer Effizienz. Das ist bekannt unter dem Schlagwort Power-to-Gas. Und das könnte das System, wenn es einmal anwendungsreif ist, eigenständig tun. Die Gesamteffizienz der Energieversorgung ließe sich so deutlich steigern.

Ginge das mit einer Solarbatterie? Windenergie hat ja direkt nichts mit dem Sonnenlicht zu tun.

Krause: Ja, das wäre möglich. Denn die Solarbatterie lässt sich auch als elektrochemische Zelle verwenden. Sie können die Energie statt durch die ebenfalls in dem Material integrierte Funktion als Solarzelle auch elektrisch in die Batterie laden.

Gouder: Grundsätzlich gibt es drei Operationsmodi für die Batterie. Man kann sie entweder ins Licht halten und Strom erzeugen – dann dient sie als Solarzelle. Man kann sie als klassische Batterie verwenden, das heißt, sie elektrisch auf- und entladen. Oder es lässt sich beides kombinieren. Dann unterstützt das Licht beim Laden – und hilft beim Stromsparen. Theoretisch ist es vorstellbar, eine Solarbatterie im Betrieb wieder aufzuladen und ihre Betriebsdauer im Licht dadurch massiv zu verlängern.

Könnte das hilfreich sein für die Energiewende?

Krause: Davon bin ich überzeugt. Ich glaube, es herrschen oftmals zu einseitige Vorstellungen wie: Alle fossilen Brennstoffe sind böse. Und: Wir wollen jetzt alles nur noch batteriebasiert machen. Doch es kommt nicht nur darauf an, was man einsetzt, sondern vor allem auch in welchem Kontext man das tut. Klar ist: Wir müssen die Nutzung fossiler Energieträger und damit verbunden die Emissionen von CO₂ minimieren. Aber zum Beispiel in einem Flugzeug: Wenn das mit den existierenden Technologien auf Batteriebasis fliegen sollte, wäre das wegen des großen Gewichts der Batterie-Packs schwierig. Für Autos dagegen gibt es sehr gut funktionierende Systeme. Der Vorteil von Systemen, wie wir sie erforschen, liegt insbesondere in ihrer integrierten und kompakten Bauweise und Flexibilität. Anwendungsszenarien könnten etwa portable elektronische Geräte, autonom agierende Bauteile wie Mikrosensoren oder Weltraumfahrzeuge für Mond oder Mars sein – dort kann man nicht einfach einen Block mit Lithium-Ionen-Batterien hinstellen.

Gouder: Zudem können Solarbatterien mehr Flexibilität in das Stromversorgungssystem bringen: durch die Möglichkeit, Schwankungen auszugleichen. Bei Energiespeichern geht es um diverse Zeitskalen. Die Stromproduktion aus regenerativen Quellen schwankt zum einen im Takt von Minuten, etwa durch vorüberziehende Wolken. Zum anderen gibt es Schwankungen durch den Wechsel von Tag und Nacht. Und schließlich haben wir Fluktuationen übers Jahr: So gibt es im Winter weniger Sonnenstrom als im Sommer. Deshalb braucht es mehrere technische Ansätze – für verschiedene Zeitskalen.

Auf welcher Zeitskala könnte eine Solarbatterie als Speicher nützlich sein?

Gouder: Das wäre nach dem aktuellen Entwicklungsstand der Stundenbereich. Durch Weiterentwicklung der Technologie oder Nutzung anderer Materialien ließe sich das eventuell auf den Tag-Nacht-Zyklus erweitern. Wo der Unterschied zwischen Bedarf und Angebot an Energie am größten ist – am frühen Abend – könnten künftig Solarbatterien einspringen.

Welche Hürden sind noch zu überwinden, um die Anwendung von Solarbatterien zu ermöglichen?

Krause: Uns interessiert es vor allem zu verstehen, was in den Materialien vor sich geht, wenn dort optoionische Effekte auftreten. Die Systeme in anwendungsreife Produkte zu überführen, ist dann auch die Aufgaben der Industrie unter Einbeziehung von Ingenieuren. Allerdings: Der Vorsprung von Photovoltaik- und klassischen Batterietechnologien ist groß, zumal in deren Entwicklung seit Jahrzehnten viel Geld fließt. Doch es gibt Anwendungen, die mit herkömmlicher Technik nur schwer realisierbar sind – mit einer Solarbatterie aber schon: beispielsweise die dunkle Photokatalyse.

Was verbirgt sich dahinter?

Gouder: Das Team von Bettina Lotsch diesen chemischen Prozess 2017 entwickelt. Sein Prinzip: Wird dem Material einer Solarbatterie das Edelmetall Platin als Katalysator beigemischt, lassen sich gespeicherte Elektronen ableiten. Und da Platin die Entstehung von Wasserstoff katalysiert, lässt sich dieser Stoff daher, etwa durch das Spalten von Wasser-Molekülen, produzieren.

Krause: Das verläuft ähnlich zu Vorgängen in den Blättern einer Grünpflanze, wo Licht durch eine Ladungstrennung Wasser spaltet. Die Pflanze kann dann in der Dunkelreaktion über mehrere Reaktionsschritte aus Kohlendioxid Energieträger wie Zucker herstellen. Bei der Solarbatterie können wir sowohl das einfallende Licht speichern als auch bei Dunkelheit die gespeicherten Ladungen zur Wasserstoff-Produktion mittels Platinkatalysator nutzen. Das ermöglicht die Spaltung von Wasser auch ohne Licht. Ebenso lässt sich mit dem Material einer Solarbatterie im Dunkeln Wasserstoff erzeugen, wenn sie zuvor mit Platin versehen wurde.

Was lässt sich mit Prozessen wie der dunklen Photokatalyse anfangen?

Gouder: Sie ermöglichen beispielsweise eine coole Anwendung, die auch bei uns entwickelt wurde: Wenn man etwa ein kleines Stück Kohlenstoffnitrid nur auf einer Seite mit Platin belegt, entsteht auf dieser Seite des Teilchens Wasserstoff. Das kann wie eine Art Triebwerk wirken, das den Partikel durch eine Flüssigkeit hindurch schwimmen lässt. Dabei spricht man von einem Mikroschwimmer. Ein solches winziges Objekt könnte künftig Medikamente im menschlichen Körper irgendwohin befördern, zum Beispiel um Krebs oder eine andere Erkrankung zu bekämpfen. Für den Transport per Mikroschwimmer muss man das Material aufladen, indem man es beleuchtet. Dieses Konzept ist zwar noch Zukunftsmusik, aber es zeigt eindrucksvoll, dass eine Solarbatterie zu viel mehr zu gebrauchen ist als nur dazu, Energie zu speichern.