Molekulare Solarthermie (MOST): Solarwärme als Brennstoff – geht das?

Solarthermie ist gegenüber fossilen Wärmeenergiequellen klar im Vorteil: Sie lässt sich direkt mit einer wärmeerzeugenden Solarthermie-Anlage ernten und nutzbar machen. Sie wird sauber und gratis angeliefert. Aber: Noch lässt sie sich nicht so einfach speichern und lagern, wie ein fossiler Brennstoff. Daran, Solarwärme speicherbar und lagerbar zu machen, arbeiten Wissenschaftler weltweit. Schwedische Forscher zum Beispiel haben eine spezielle Flüssigkeit entwickelt, dank der Solarthermie zu einem flüssigen Solarthermie-Brennstoff beziehungsweise Solarthermie-Kraftstoff werden und sich bis zu 18 Jahre lang speichern lassen soll. Und Chemiker der Uni Tübingen bekamen für ihr Solarthermie-Speichermolekül gerade einen Forschungspreis.

Was ist molekulare Solarthermie (MOST)?

Der Begriff molekulare Solarthermie, kurz: MOST, fällt im Zusammenhang mit Forschungsarbeiten rund um das Speicherbarmachen von Solarwärme.

So meldete NBC online, dass Forscher der Chalmers Universität für Technologie in Schweden eine spezielle Flüssigkeit entwickelt hätten, die wie eine wiederaufladbare Batterie arbeite. Setze man die Flüssigkeit der Sonne aus, absorbiere und speichere sie demnach die Solarenergie. Zu einem späteren Zeitpunkt, in einer Pressemitteilung der Chalmers Uni ist die Rede bis zu 18 Jahren, könne die gespeicherte Energie in Form von Thermie (Wärme) freigesetzt werden, indem man einen Katalysator zugebe.

Was ist Solarthermie-Brennstoff?

NBC schreibt, dass der sogenannte Solarthermie-Brennstoff, so er denn perfektioniert würde, ein weiterer Sargnagel für den Sarg der fossilen Brennstoffe sein könnte.

Jeffrey Grossman, der ein Labor am MIT leite, sagt gegenüber NBC, dass ein Solarthermie-Brennstoff wie eine aufladbare Batterie sei, in der anstelle von Elektrizität aber Sonnenlicht gespeichert werde und die bei Bedarf Wärme freisetze. Das Funktionsprinzip sei erstaunlich einfach.

Die Flüssigkeit bestünde aus Molekülen, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff zusammengesetzt seien. Diese Flüssigkeit reagiere auf Sonnenstrahlung, indem sie ihre Atombindungen neu anordne. Dabei wandle sich das Molekül im Grunde in einen chemischen Käfig, der die Energie der auftreffenden Strahlung einfange. Erstaunlicherweise bleibe der Energieinhalt auch dann erhalten, wenn die infolge der Sonneneinstrahlung warm gewordene Flüssigkeit sich wieder auf Raumtemperatur abgekühlt habe.

Solarthermie-Brennstoff im Heizkreis

Auf dem Dach des Physikgebäudes der Chalmers University of Technology im schwedischen Göteborg habe Kasper Moth-Poulsen, Professor am Institut für Chemie und Chemieingenieurwesen, laut dem Bericht ein Prototypsystem errichtet, um die neuen solarthermischen Kraftstoffe zu testen, die seine Forschungsgruppe entwickelte.

Während eine Pumpe die Flüssigkeit durch transparente Schläuche führe, rege das ultraviolette Licht der Sonne die Moleküle an, in einen energetisierten Zustand zu wechseln. Das Licht ordne die Bindungen zwischen den Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Stickstoffatomen im Kraftstoff neu an und wandelt eine als Norbornadien bekannte Verbindung in ein so genanntes Quadricyclan um. Da die Energie in starken chemischen Verbindungen eingeschlossen sei, behalte das Quadricyclan die aufgenommene Sonnenenergie selbst bei Abkühlung.

Das Energiesystem arbeite im Kreislaufprinzip (siehe Grafik der Chalmers Uni oben). Zunächst fange die Flüssigkeit Energie aus dem Sonnenlicht in einem Solarthermie-Kollektor auf dem Dach eines Gebäudes ein. Anschließend lagere sie bei Raumtemperatur. Benötige man die Energie, käme ein Kobaltkatalysator zum Einsatz, wobei sich die Flüssigkeit erwärme.

Vergleichbar ist das wohl am ehesten mit den bekannten Taschenwärmekissen, die man im Winter mit sich führen kann, um sich unterwegs die Hände zu wärmen: Diese enthalten eine klare Flüssigkeit und ein Metallplättchen, das unter Spannung steht. Knickt man das, wird die Flüssigkeit in der Silikonhülle weiß, wachsartig und heiß. Ein Heizkissen to go. Ist der Prozess beendet, und das Kissen weiß, fest und erkaltet, legt man es in einen Topf kochendes Wasser, woraufhin die Flüssigkeit wieder klar wird. Der Vorgang lässt sich dann wiederholen.

Anwendungen für den Solarthermie-Brennstoff

Laut Moth-Poulsen lasse sich auch der Prozess beim Solarthermie-Brennstoff entsprechend wiederholen. Die Umwandlung setze so viel Wärme frei, dass sich die Temperatur des Brennstoffs um 63 Grad Celsius (° C) erhöhe: Bei Raumtemperatur (etwa 21 °C) erwärme er sich schnell auf etwa 84 ° C – heiß genug, um ein Haus oder Büro zu beheizen.

Man könne diese Wärme auch für einen Wasserkocher, eine Geschirrspülmaschine oder einen Wäschetrockner nutzen, sagt Grossman der NBC. Auch viele industrielle Anwendungen seien denkbar. Zum Beispiel brauche man Niedertemperaturwärme zum Kochen, Sterilisieren, Bleichen, Destillieren und anderen gewerblichen Tätigkeiten. Immerhin mache Niedertemperaturwärme sieben Prozent des gesamten Energieverbrauchs in der Europäischen Union aus, erklärt Moth-Poulsen.

Lagerung und Transport von Solarthermie-Brennstoff

Ein derartiger solarthermischer Brennstoff ließe sich in ungedämmten Tanks in Häusern oder Fabriken lagern. Oder über Rohrleitungen zwischen einer Solarthermie-Großanlage und Städten transportieren. Selbst der Transport mit einem LKW sei machbar. Spannend sei, dass nur sehr wenig des Solarthermie-Kraftstoffs und des Katalysators während der Wärme freisetzenden Reaktion beschädigt werde. Das sei auch der Grund, warum das System in einem geschlossenen Kreislauf arbeiten könne, der Sonnenenergie aufnehme und immer wieder Wärme abgebe. Man habe 125 Zyklen ohne nennenswerte Verschlechterung absolviert, erklärt Moth-Poulsen.

Der Wissenschaftler habe berechnet, dass die beste Variante seines Kraftstoffs bis zu 250 Wattstunden Energie pro Kilogramm speichern könne. Das sei etwa die doppelte Energiekapazität der Tesla Powerwall-Batterien, die einige Hausbesitzer und Versorgungsunternehmen heute verwenden, um Strom zu speichern, der von Solarzellen erzeugt werde.

Forschungspreis für Moleküle, die Solarenergie einfangen und speichern

Passend dazu berichtet die Pressestelle der Eberhard Karls Universität Tübingen, dass ihre Chemiker Professor Holger Bettinger und Juniorprofessorin Ivana Fleischer aus dem Institut für Organische Chemie den diesjährigen Forschungspreis der Dr. K. H. Eberle Stiftung erhalten hätten. In einem gemeinsamen Projekt hätten die beiden Chemiker an der Weiterentwicklung einer alternativen Speicherform für Sonnenlicht gearbeitet: Bei der Molekularen Solarthermie (MOST) werde Solarenergie in Form von chemischer Energie in einem Molekülpaar gespeichert.

Der mit 300.000 Euro dotierte Preis sei Im Mai im Rahmen des „Tübinger Fensters für Forschung (TÜFFF)“ der Universität überreicht worden. In der Begründung der Stiftung heißt es: Das Projekt sei aus Sicht der Stiftung von hoher gesellschaftlicher Relevanz. Die Steigerung des Einsatzes von erneuerbaren Energien sei ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz“.

Die Universität definiert molekulare Solarthermie in ihrer zugehörigen Pressemitteilung so:

Bei der Molekularen Solarthermie fungiere als Energiespeicher ein Stoff (Molekül A), der von Sonnenlicht in eine energiereichere Form (Molekül B) umgewandelt werde. Ein Katalysator setze die in Molekül B gespeicherte Energie wieder frei und mache sie als Wärme nutzbar.

Weil man dafür Molekülpaare mit speziellen Eigenschaften brauche ? zum Beispiel eine hohe Energiespeicherdichte ? seien MOST-Systeme noch nicht auf dem Markt etabliert, erklärt Holger Bettinger. Seine Arbeitsgruppe sei auf ein Molekülpaar gestoßen, das sehr gut geeignet scheint. In einem nächsten Schritt will das Team für eine bessere Absorption des Sonnenlichts sorgen und entsprechende Katalysatoren optimieren.

„Wir wollen Langlebigkeit und Effizienz des Systems erforschen und so ein anwendbares MOST-System entwickeln“, erklärt der Chemiker. „Dies ist unser Beitrag zu einer CO₂-neutralen und ressourcenschonenden Energieversorgung.“

Fotos: Grafik (Titel): Doreen Brumme, Grafik im Text: Chalmers Universität Schweden