Die Speicherung von Sonnenenergie ist die zentrale Herausforderung der Energiewende. Neben den klassischen Lösungen – wie Solarzellen oder Batterien – eröffnen kreative chemische Konzepte der Energiespeicherung völlig neue Chancen. So ist es möglich, durch intramolekulare Reaktionen die Umwandlung und Speicherung von Sonnenenergie in einem einzigen Molekül zu vereinigen. Dies könnte die Grundlage zum Bau von energiespeichernden Solarzellen sein. Die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) bearbeiten diese Fragestellung aktuell in zwei Forschungsprojekten und erhalten dafür Fördermittel in Höhe von mehr als einer Million Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).
Strom aus einer regenerativen Energiequelle wie Sonne oder Wind steht nur dann zur Verfügung, wenn der Wind bläst und die Sonne scheint. Wird zu diesem Zeitpunkt gerade wenig Strom benötigt, ist es sehr schwer, den restlichen Strom zu speichern. Neue Konzepte sind gefragt – und die Forscher der FAU aus dem Department Chemie und Pharmazie setzen dabei auf chemische Konzepte zur Energiespeicherung.
In zwei Gemeinschaftsprojekten suchen die Wissenschaftler nach neuen Ideen zur molekularen Sonnenenergiespeicherung und erforschen Moleküle und Prozesse, die sowohl eine effiziente Speicherung als auch eine kontrollierte Energiefreisetzung ermöglichen. Denkbar ist dabei sogar eine direkte Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in elektrische Energie. Eine Vision, die den Bau einer „energiespeichernden Solarzelle“ ermöglichen würde.
Ansatzpunkt für die Speicherung von Solarenergie
Grundlage der Forschungen ist das so genannte „Norbornadien-Quadricyclan-Speichersystem“. Die Substanzen Norbornadien (NBD) und Quadricyclan (QC) sind Kohlenwasserstoffe und werden in der Fachwelt schon seit längerer Zeit als potenzielle Kandidaten für die Speicherung von Sonnenenergie diskutiert: Unter Einwirkung von Licht kann sich das Molekül Norbornadien in einer Reaktion innerhalb des Moleküls zu Quadricyclan verwandeln. Dabei wird eine Energiedichte erreicht, die der einer Hochleistungsbatterie entspricht. Auf Grund dieser Eigenschaft wird Quadricyclan auch als „Solar Fuel“ – also als solarer Treibstoff – bezeichnet.
Effiziente Speicherung
Das Teil-Projekt „Photochemisch und magnetochemisch ausgelöste Speicherung / Freisetzung von Sonnenenergie in gespannten organischen Verbindungen“ wird von Prof. Dr. Dirk Guldi und Prof. Dr. Andreas Hirsch geleitet. Die Wissenschaftler arbeiten an der Herstellung verschiedener neuer Familien von NBD- und QC-Derivaten. Darüber hinaus untersuchen sie systematisch den Einfluss von Photosensibilisatoren und Elektronenakzeptoren sowie von Lösungsmitteln und Magnetfeldern innerhalb dieses Prozesses. Langfristiges Ziel der Forscher ist es, einen geschlossenen System-Brennstoffzyklus für molekulare Speichermedien zu realisieren.
Kontrollierte Energiefreisetzung
Im Teil-Projekt „Katalytische und elektrochemische Wiedergabe von in verspannten organischen Verbindungen gespeicherter Sonnenenergie“ arbeiten Prof. Dr. Julien Bachmann, Prof. Dr. Jörg Libuda und Dr. Christian Papp zusammen. Die drei Wissenschaftler entwickeln neue Katalysatorsysteme und Elektroden, mit denen chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dieses Funktionsprinzip wollen sie konzeptionell anhand von Hybridgrenzflächen mit geeigneter elektronischer Struktur, chemischer Struktur und elektrochemischer Stabilität nachweisen.