Sonne speichern: Solarbatterie erzeugt Wasserstoff im Dunkeln

Forscher speichern Solarenergie – und erzeugen Tage später Wasserstoff auf Knopfdruck

Neues Polymer speichert Sonnenenergie über Tage und erzeugt später mit bis zu 72 Prozent Wirkungsgrad Wasserstoff – auch ohne Licht.

Grüner Wasserstoff soll Hochöfen klimaneutral machen, Stahlwerke umbauen und schwere Industrie von Kohle lösen. Bisher hängt seine Produktion allerdings davon ab, ob gerade genug Sonne scheint oder Wind weht. Hier liegt auch ein Kernproblem der Energiewende: Erneuerbare Energie unterliegt starken Schwankungen, industrielle Prozesse brauchen sie verlässlich. Eine neue Studie beschreibt ein Material, das diese Lücke schließen könnte – indem es Solarenergie zwischenspeichert und erst später in Wasserstoff umwandelt.

Das Besondere daran: Das neue System trennt das Laden durch Licht und die eigentliche Wasserstoff-Erzeugung zeitlich. Es geht also nicht darum, Wasserstoff direkt zu speichern, sondern mithilfe eines speziellen Polymers Elektronen aus Sonnenlicht aufzunehmen und über Tage festzuhalten. Erst wenn eine Säure und ein Katalysator hinzugefügt werden, entsteht daraus Wasserstoff – sogar im Dunkeln.

Wie das Polymer Solarenergie speichert und später Wasserstoff liefert

Entwickelt wurde das Material von Forschern aus Ulm und Jena. Im Kern handelt es sich um ein wasserlösliches Copolymer mit sogenannten Viologen-Einheiten. Diese chemischen Bausteine können Elektronen aufnehmen und stabil speichern. Unter sichtbarem Licht, unterstützt durch einen Ruthenium-Komplex als Photosensibilisator, lädt sich das Polymer auf.

Nach rund zwei Stunden Bestrahlung erreicht das System einen Ladezustand von 82 ± 2 Prozent. Das heißt: Mehr als vier Fünftel der speicherfähigen Einheiten sind mit Elektronen besetzt. „Man kann sich das vorstellen wie eine Kombination aus Solarzelle und Batterie auf molekularer Ebene“, sagt Professor Sven Rau von der Universität Ulm.

„Bei Bedarf rufen wir die chemische Energie in Form von Wasserstoff wieder ab. Dafür werden die gespeicherten Elektronen gezielt wieder genutzt“, ergänzt sein Kollege Professor Ulrich S. Schubert von der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Mehr als 80 Prozent Effizienz – und Tage stabile Speicherung

Die gespeicherten Elektronen bleiben nicht nur Minuten oder Stunden erhalten. Im Versuch blieb der Ladezustand über 24 und sogar 72 Stunden stabil, solange kein Sauerstoff in die Lösung gelangte. Im Vergleich dazu verlieren ähnliche, nicht-polymergebundene Moleküle rund 40 Prozent ihrer Ladung bereits innerhalb von 18 Stunden.

Auch die Energiemenge pro Materialmasse fällt deutlich höher aus als bei vergleichbaren Systemen. Das Polymer speichert etwa 101 Coulomb pro Gramm. Metall-organische Gerüstverbindungen, die in anderen Ansätzen getestet wurden, kommen auf etwa 15 Coulomb pro Gramm. Das neue Material liegt damit mehr als sechsmal höher.

Erst bei Bedarf entsteht Wasserstoff – auch ohne Licht

Der eigentliche Vorteil zeigt sich beim Entladen. Denn der Wasserstoff entsteht nicht sofort bei der Aufnahme von Sonnenenergie, sondern erst später: Wird die Lösung auf einen pH-Wert von 2 angesäuert und ein geeigneter Katalysator hinzugegeben, verbinden sich die zuvor gespeicherten Elektronen mit Protonen – und es bildet sich Wasserstoff.

Am besten funktionierte das System mit winzigen Platin-Partikeln. In diesem Fall wurden rund 72 Prozent der gespeicherten Energie tatsächlich in Wasserstoff umgewandelt. Ein getesteter Rhodium-Katalysator schaffte etwa 54 Prozent. Andere Varianten blieben deutlich schwächer. Ohne passenden Katalysator – oder ohne die nötige Säure – entstand überhaupt kein messbarer Wasserstoff.

Blaue LED-Lichter treiben im Photokatalyse-Reaktor die Reaktion an: Hier wird das Polymer mit Licht aufgeladen, bevor später daraus Wasserstoff entsteht. © Elvira Eberhardt / Uni Ulm

Ein einfacher pH-Wechsel startet das System neu

Nach der Wasserstoff-Produktion ist das System nicht verbraucht. Es lässt sich wieder in den Ausgangszustand bringen. Dazu wird die saure Lösung einfach neutralisiert. Anschließend kann das Polymer erneut Sonnenenergie aufnehmen und sich wieder aufladen. Dieser Wechsel zwischen sauer und neutral wirkt wie ein Schalter, der mehrere Lade- und Entladevorgänge erlaubt.

Ganz ohne Verluste arbeitet das System nicht. Beim ersten Durchlauf speicherte das Polymer rund 71 Prozent seiner möglichen Energie, beim zweiten noch 67 Prozent. Selbst nach vier Ladezyklen lag der Wert mit 68 Prozent weiterhin in diesem Bereich – das Material selbst bleibt also vergleichsweise stabil.

Deutlicher fiel der Rückgang bei der Wasserstoff-Produktion aus: Mit Platin als Katalysator wurden im vierten Durchgang nur noch etwa 32 Prozent der gespeicherten Energie tatsächlich in Wasserstoff umgewandelt.

Warum das für Industrie und Energiewende zählt

Für Branchen wie Stahl, Chemie oder Raffinerien wäre ein solches Verfahren interessant. Dort laufen Anlagen rund um die Uhr. Sie brauchen verlässlich große Mengen Wasserstoff – nicht nur dann, wenn Sonne oder Wind gerade viel Strom liefern. Bislang muss H₂ entweder sofort erzeugt oder technisch aufwendig gespeichert werden. Ein chemischer Zwischenspeicher auf Polymerbasis könnte Produktionsprozesse entkoppeln und planbarer machen.

Noch ist das System jedoch reine Laborforschung. Es nutzt einen Ruthenium-Komplex als Lichtsammler und Triethylamin als Elektronendonator. Die Lösung darf keinen Sauerstoff enthalten, und für die Wasserstoff-Freisetzung ist ein stark saures Milieu nötig. Für den Einsatz im industriellen Maßstab braucht es daher robustere Materialien und vereinfachte Bedingungen.

Kurz zusammengefasst:

Ein Forschungsteam aus Ulm und Jena hat ein Polymer entwickelt, das Elektronen aus Sonnenlicht mit bis zu 82 Prozent Effizienz speichert und diese Energie mindestens drei Tage stabil hält – mit einer Speicherdichte von 101 Coulomb pro Gramm.
Erst bei Bedarf entsteht Wasserstoff: Nach Ansäuerung und mit einem Platin-Katalysator werden bis zu 72 Prozent der gespeicherten Energie in Wasserstoff umgewandelt – auch im Dunkeln.
Das System lässt sich per pH-Wechsel mehrfach aufladen (nach vier Zyklen noch 68 Prozent Ladezustand), bleibt jedoch ein Laboransatz, der für den industriellen Einsatz weiterentwickelt werden muss.

Übrigens: Wasserstoff lässt sich auch direkt aus Meerwasser gewinnen – nur mit Licht und flüssigem Metall. Wie Gallium ohne Elektrolyse aus Salzwasser einen Energieträger macht und warum das strategisch spannend ist, mehr dazu in unserem Artikel.