Molekulare Solarbatterie könnte Lithium-Ionen-Akkus ergänzen

Solaranlagen liefern nachts und im Winter kaum Energie – genau hier liegt eine der größten Schwächen der Solarenergie. Doch zwei neue Forschungen zeigen nun einen möglichen Ausweg. Diese Systeme speichern Sonnenlicht direkt in molekularen Strukturen. Der Vorteil daran ist, dass man Erzeugung und Nutzung zeitlich entkoppeln kann. Gespeicherte Energie lässt sich somit auch bei anhaltender Bewölkung oder in den Nachtstunden abrufen. Diese molekularen Systeme sollen Lithium-Ionen-Akkus nicht ersetzen, sondern das Energiesystem dort ergänzen, wo klassische Batterien an ihre Grenzen stoßen – vor allem bei der langfristigen und saisonalen Energiespeicherung. Denkbar sind Anwendungen wie grüner Wasserstoff für die Industrie oder gespeicherte Wärme für Gebäude.

Übersicht: Die beiden molekularen Ansätze im Vergleich

Problem klassischer Speicher: Ergänzungen zu Li-Ion-Akkus sind notwendig

Lithium-Ionen-Akkus sind heute Standard für die Elektromobilität und Energiewende – sowohl in Elektroautos als auch für die kurzfristige Pufferung von Solarstrom in Heimspeichern. Ihre Stärke liegt in der schnellen Bereitstellung elektrischer Energie bei hohen Wirkungsgraden. Für langfristige oder saisonale die Speicherung großer Energiemengen sind sie jedoch weniger geeignet, denn die Materialkosten sind hoch, und geladene Akkus unterliegen über längere Zeiträume einer schleichenden Selbstentladung sowie einer dauerhaften Alterung des Materials (Degradation).

Hier setzen molekulare Speichersysteme an. Da die Energie in chemischen Verbindungen gespeichert wird, kann sie länger gelagert werden – ohne die typischen Batterieverluste aufzuweisen. Diese Systeme geben keine elektrische Energie ab, sondern speichern Energie in anderer Form – etwa als Wasserstoff oder Wärme. Somit konkurrieren sie nicht mit Lithium-Ionen-Akkus, sondern das Energiesystem.

Ansatz 1: Wasserstoff auf Knopfdruck (Forschung Ulm/Jena)

Das von den Universitäten Ulm und Jena entwickelte System kombiniert die Eigenschaften einer Solarzelle mit denen einer Batterie auf molekularer Ebene. Als Speichermedium dient ein wasserlösliches, Redox-aktives Copolymer. Diese Makromoleküle bilden ein stabiles chemisches Gerüst, das in der Lage ist, die durch Sonnenbestrahlung (photochemische Beladung) aufgenommenen Elektronen temporär zu speichern. Die gemessene Effizienz bei der Speicherung dieser angeregten Ladungsträger liegt bei über 80%, wobei das Material diesen geladenen Zustand über mehrere Tage stabil hält. Der Gesamtwirkungsgrad von der solaren Einstrahlung bis zur gespeicherten Energie (Solar-to-Chemical) bewegt sich dabei, wie in der photochemischen Grundlagenforschung üblich, noch auf einem deutlich niedrigeren Niveau.

Katalytische Entladung und Wasserstoff-Erzeugung im Dunkeln

Die Freisetzung der gespeicherten Energie erfolgt unabhängig von aktueller Sonneneinstrahlung und funktioniert somit auch bei völliger Dunkelheit oder während der strahlungsarmen Wintermonate. Um den Entladeprozess einzuleiten, wird der Lösung eine Säure sowie ein spezieller Wasserstoffentwicklungs-Katalysator zugesetzt. Die im Polymer gelagerten Elektronen verbinden sich daraufhin mit Protonen, wodurch bei solarer Beladung des Systems grüner Wasserstoff „On Demand“ bereitgestellt werden kann. Der Wirkungsgrad dieser katalytischen Reaktion beträgt 72%.

Einfacher System-Reset über einen pH-Schalter

Ein wesentlicher Vorteil für den potenziellen Praxiseinsatz ist die Reversibilität des Prozesses, denn das Polymer muss nach der Entladung nicht aufwendig isoliert oder gereinigt werden. Ein einfacher pH-Schalter genügt für den Reset. Wird die saure Lösung wieder neutralisiert, ist das System bereit für den nächsten Beladungszyklus. Optisch wird dieser Zustand durch einen Farbumschlag signalisiert: Im entladenen Zustand ist die Flüssigkeit gelb und im geladenen Zustand violett.

Ansatz 2: Die molekulare Wärmebatterie (Forschung UC Santa Barbara)

Demgegenüber verfolgt das Forschungsteam der University of California in Santa Barbara einen thermodynamischen statt eines elektrochemischen Ansatzes. Das dort entwickelte Molecular-Solar-Thermal-System (MOST) nutzt keine Polymere zur Elektronenspeicherung, sondern basiert auf einer synthetischen Pyrimidin-Struktur. Die Funktionsweise dieses lichtempfindlichen Speichermediums wurde von den chemischen Mechanismen eines DNA-Bausteins inspiriert, speichert die Energie jedoch nicht in Ladungsträgern, sondern direkt in der molekularen Geometrie.

Das Prinzip der molekularen Feder

Die Forschenden beschreiben den Vorgang als molekulare Feder: Bei Bestrahlung mit UV-Licht verändern die Moleküle ihre räumliche Anordnung (Konformation) und gehen in eine hochenergetische, gespannte Form über. In dieser Konfiguration verweilt das Material stabil in seinem energiereichen Zustand, bis ein Impuls die Rückreaktion auslöst. Die Entladung wird entweder durch eine geringe Wärmezufuhr oder durch die Zugabe von Salzsäure als Katalysator ausgelöst. Das Molekül springt in seinen entspannten Ausgangszustand zurück und setzt die gespeicherte Energie überwiegend in Form von Wärme frei.

Han Nguyen von der University of California in Santa Barbara erklärt das Phänomen anhand folgenden Vergleichs:

„Man kann es sich wie photochrome Sonnenbrillen vorstellen. Drinnen sind die Gläser klar. Geht man nach draußen in die Sonne, dunkeln sie von selbst nach. Kommt man wieder hinein, werden sie wieder klar. Genau diese Art reversibler Veränderung interessiert uns. Nur dass wir statt eines Farbwechsels nach demselben Prinzip Energie speichern, bei Bedarf wieder freisetzen und das Material immer wieder verwenden wollen.“

Hohe Energiedichte bringt Wasser zum Kochen

Im Labortest erreichte dieses Pyrimidon-Derivat eine rein thermische Energiedichte von mehr als 1,6 MJ/kg (Megajoule pro Kilogramm). Damit speichert das flüssige System pro Masseeinheit rund 80% mehr Wärmeenergie als ein klassischer Lithium-Ionen-Akku an elektrischer Energie im Schnitt bereitstellen kann (ca. 0,9 MJ/kg). Ein direkter Leistungsvergleich ist aufgrund der unterschiedlichen Energieformen (Niedertemperaturwärme vs. Strom) jedoch nur bedingt möglich, da bei einer eventuellen Rückverstromung der Wärme hohe thermodynamische Verluste entstehen würden. Die dabei freigesetzte thermische Energie war im Labormaßstab ausreichend, um Wasser unter normalen Umgebungsbedingungen zum Kochen zu bringen.

Warum ein direkter Vergleich der drei Systeme hinkt

Oft werden die unterschiedlichen Forschungsansätze unsauber mit klassischen Speichermedien verglichen. Für eine fachlich korrekte Einordnung ist es jedoch entscheidend, die drei völlig verschiedene physikalische Welten voneinander abzugrenzen.

• Lithium-Ionen-Akkus (elektrisch): Sie speichern Strom direkt auf elektrochemischem Weg. Diese Energie ist hochwertig (Exergie) – sie steht sofort und nahezu verlustfrei für elektrische Anwendungen (wie E-Autos oder Heimspeicher) zur Verfügung.
• Das Ulm/Jena-System (elektrochemisch/Gas): Dieses Copolymer-System nutzt Licht, um chemische Energie in Form von Wasserstoff zu binden. Hier wird ein universeller Energieträger erzeugt, der sich flexibel transportieren, lagern oder später in einer Brennstoffzelle rückverstromen lässt.
• Das US-System/MOST (thermodynamisch/Wärme): Speichert Sonnenlicht über molekulare Dehnung rein thermisch als Niedertemperaturwärme. Als minderwertige Energie (Anergie) eignet sie sich hervorragend als saisonaler Wärmespeicher für Heizsysteme. Jedoch büßt sie den Großteil ihrer Energie durch Wirkungsgradverluste ein, wenn man aus ihr wieder Strom erzeugt.

Anwendungsszenarien: Wo die Systeme Lithium-Ionen-Akkus entlasten

Die industriellen und zivilen Anwendungsperspektiven dieser beiden flüssigen Technologien sind aufgrund der unterschiedlichen Zielmedien (Wasserstoff und Wärme) breit gefächert.

• Saisonale Gebäudewärme: Die Pyrimidon-Lösung der US-Forscher könnte tagsüber durch flache Solarkollektoren auf Hausdächern gepumpt und geladen werden. Die flüssige Energie lässt sich in herkömmlichen Tanks über längere Zeiträume lagern, um nachts oder im Winter Heizwärme und heißes Wasser bereitzustellen – weitgehend ohne direkte Belastung des Stromnetzes oder Einsatz von klassischen Batteriespeichern.
• Dekarbonisierung der Industrie: Das deutsche Copolymer-System könnte künftig einen Beitrag in energieintensiven Sektoren wie der klimaneutralen Stahlproduktion leisten. Diese Prozesse benötigen für den Ersatz von Kokskohle eine absolut kontinuierliche, wetterunabhängige Versorgung mit grünem Wasserstoff. Die On-Demand-Erzeugung aus dem Polymer-Tank könnte dazu beitragen, Versorgungslücken bei geringer erneuerbarer Stromerzeugung zu überbrücken.
• Dezentrale autarke Anwendungen: Aufgrund der hohen Energiedichte und der einfachen Handhabung der Flüssigkeiten sind auch mobile, netzunabhängige Heiz- und Kochanwendungen im Outdoor- oder Katastrophenbereich denkbar.

Hypothetisches Gedankenspiel für eine Hybrid-Lösung

Bislang entwickelt man beide Ansätze getrennt voneinander, doch ihre Kombination bietet eine interessante Perspektive für eine dezentrale Sektorenkopplung innerhalb eines integrierten Energiesystems. In einem solchen Szenario könnte ein molekularer Verbund entstehen, der Sonnenlicht gleichzeitig in Wärme und Wasserstoff speichert. Somit wäre eine einzige Solaranlage in der Lage, zwei völlig unterschiedliche Speicherpfade zu speisen. Während das MOST-System vor allem auf UV-Licht reagiert, würde das Copolymer-System andere Wellenlängen nutzen – beide könnten sich damit zumindest teilweise spektral ergänzen, anstatt direkt miteinander zu konkurrieren.

Die energiereichen UV-Anteile würden die Pyrimidin-Lösung aufladen – gewissermaßen als saisonaler Wärmespeicher für den Winter. Parallel dazu könnte das Copolymer-System den Großteil des restlichen Spektrums nutzen, um Elektronen zwischenzuspeichern und bei Bedarf für die Erzeugung von grünem Wasserstoff zu nutzen. So entstünde ein flexibler Kreislauf, bei dem die Energie tagsüber gespeichert und nachts oder in Dunkelflauten bedarfsgerecht als Wärme oder – über den Umweg einer Brennstoffzelle – als Strom freigesetzt wird.

Herausforderungen und Grenzen der Vision

Doch der Weg zur praktischen Umsetzung dieses Gedankenspiels ist anspruchsvoll. Der UV-Anteil des Sonnenlichts ist begrenzt, weshalb die Bedeutung des MOST-Systems wahrscheinlich nur komplementär bleiben würde. Hinzu kommen die Gesetze der Thermodynamik, denn Strom ist hochwertige Energie (Exergie), die sich nahezu verlustfrei nutzen lässt. Die im US-System gespeicherte Niedertemperaturwärme ist dagegen minderwertige Energie (Anergie), was zu unvermeidlichen Verlusten entlang der Prozesskette führt. Von der chemischen Speicherung über die Wasserstoffproduktion bis hin zur Rückverstromung summieren sich die Wirkungsgradverluste spürbar.

Auch die technische Umsetzung ist alles andere als einfach – sie erfordert präzise optische Trennung des Lichts, langlebige chemische Systeme und eine wirtschaftliche Skalierung, die bislang noch nicht erreicht ist. Trotz dieser Hürden zeigt die Vision, wohin die Entwicklung gehen könnte – weg von isolierten Speicherlösungen hin zu integrierten molekularen Energiesystemen, die unterschiedliche Energieformen gleichzeitig erschließen und sie genau dann verfügbar machen, wenn man sie braucht.

Ihre Meinung ist gefragt!

Sowohl das Copolymer-System aus Ulm und Jena als auch das MOST-System aus Santa Barbara zeigen, dass die direkte chemische Speicherung von Solarenergie die starren Grenzen klassischer Batteriespeicher aufbrechen kann. Da sich beide Technologien noch im Forschungsstadium befinden, stellt sich die Frage nach der praktischen Umsetzung.

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