Die Energiegewinnung steht an einem Wendepunkt. Künstliche Photosynthese könnte die Art und Weise, wie wir Energie erzeugen, nachhaltig verändern. Inspiriert von den natürlichen Prozessen der Pflanzen, die Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid in lebenswichtigen Sauerstoff und Zucker umwandeln, arbeiten Wissenschaftler weltweit daran, diese Technologie für industrielle Zwecke nutzbar zu machen. Firmen wie Siemens, BASF und Covestro treiben mit modernsten Materialien und Verfahren die Entwicklung voran. Durch die Kombination von Halbleitertechnik, katalytischen Prozessen und bio-inspirierten Molekülen entstehen sogenannte „künstliche Blätter“, die unter Lichteinfall Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten – ein Potenzial, das die erneuerbare Energiebranche revolutionieren könnte.
Die Technologien stehen heute zwar noch am Anfang, doch mit Enthusiasmus wird an Wirkungsgraden gearbeitet, die schon bald konventionelle Photovoltaik übertreffen könnten. Bayer und Evonik forschen an stabilen Katalysatoren, während Fraunhofer Gesellschaft und Heliatek neue Materialien erforschen und Sunfire sowie MAN Energy Solutions innovative Speicherlösungen entwickeln. Die Vision einer nachhaltigen, klimaneutralen Energieproduktion, bei der aus Sonnenlicht klimafreundliche Treibstoffe entstehen, rückt damit näher.
Wie genau diese künstliche Photosynthese funktioniert, welche Herausforderungen noch zu bewältigen sind und wie das Zusammenspiel namhafter Firmen den Fortschritt vorantreibt, sind die Schwerpunkte dieses Artikels. Er beleuchtet den Stand der Forschung, praktische Anwendungen und zukünftige Perspektiven der Technologie, die unsere Energiezukunft grundlegend prägen könnte.
Fortschritte der künstlichen Photosynthese: Wie das „künstliche Blatt“ von Siemens und Fraunhofer Gesellschaft neue Maßstäbe setzt
Die Technische Universität Ilmenau, eng verbunden mit der Fraunhofer Gesellschaft, hat bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung eines „künstlichen Blattes“ erzielt, das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt, um Wasser in seine Bestandteile zu spalten. Die Verwendung von Halbleitern, ähnlich denen in Solarzellen, macht es möglich, Wasserstoff – einen der saubersten und vielseitigsten Energieträger – effizient direkt aus Sonnenlicht zu gewinnen.
Im Unterschied zu herkömmlichen Photovoltaik-Modulen erzeugt das künstliche Blatt jedoch nicht nur Strom, sondern nutzt die Spannung aktiv zur Wasserspaltung. Die Tandemzelle, welche unterschiedliche Schichten mit verschiedenen Spektralabsorptionen kombiniert, maximiert dabei die Ausnutzung des Lichtspektrums und erreicht bereits einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent. Das ist ein Weltrekord für diese Technologie – der Wirkungsgrad konventioneller Photovoltaik liegt im Vergleich bei bis zu etwa 46 Prozent.
Die Vision von Wissenschaftler Thomas Hannappel und seinem Team ist klar: „In zehn bis fünfzehn Jahren könnte das künstliche Blatt in industriellen Maßstab überführt werden.“ Die Herstellung in großem Maßstab erfordert jedoch nicht nur verbesserte Zellen, sondern auch kosteneffiziente und skalierbare Produktionsmethoden. Siemens ist einer der industriellen Partner, die diese Transformation begleiten, und bringt dabei ihre jahrzehntelange Erfahrung in der Energietechnik ein.
- Halbleiter-basierte Wasserstoffproduktion
- Tandemzellen-Technologie zur optimalen Lichtausnutzung
- Integration in skalierbare industrielle Prozesse
- Enge Zusammenarbeit mit Fraunhofer Gesellschaft und Forschungseinrichtungen
| Parameter | Aktueller Stand des künstlichen Blattes | Ziel bis 2040 |
|---|---|---|
| Wirkungsgrad | 19,3 % | Über 30 % |
| Stabilität (betriebsstunden) | Hunderte Stunden | Mehrere tausend Stunden |
| Skalierbarkeit | Prototyp-Phase | Industrielle Massenproduktion |
Katalysatoren und molekulare Innovationen: BASF, Bayer und Covestros Beitrag zur Effizienzsteigerung
Die künstliche Photosynthese ist nicht nur eine Frage der Halbleitertechnik, sondern beruht wesentlich auf der Entwicklung leistungsfähiger Katalysatoren. BASF und Bayer gehören zu den führenden Unternehmen, die molekulare Komponenten erforschen, welche die Spaltung von Wasser und die Speicherung von Elektronen ermöglichen.
Besonders spannend ist die Entwicklung eines Moleküls durch Forscher der Universität Basel, das gleich mehrere Ladungen speichern kann – zwei positive und zwei negative – und so als eine Art „mini Solarbatterie“ funktioniert. Dieses Molekül absorbiert Sonnenlicht und ermöglicht eine sehr effiziente Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Es arbeitet sogar unter schwächerem Licht und speichert die Ladungen lang genug, um sie für weitere chemische Reaktionen nutzbar zu machen. Diese Innovation könnte den Weg zu klimaneutralen Treibstoffen, wie Methanol oder synthetischem Benzin, ebnen.
Evonik erforscht finanzielle und ökologische Aspekte, um die Katalysatorkonzepte auch wirtschaftlich realisierbar zu machen. Dabei sind Aspekte wie Lebensdauer, Regeneration und Korrosionsbeständigkeit entscheidend. Gemeinsam mit Covestro, spezialisiert auf hochfunktionale Polymere, werden diese Katalysatoren in stabile und langlebige Systeme eingebunden, die den Einsatz in industriellen Anlagen ermöglichen.
- Multiladungsfähige Moleküle zur Ladungsspeicherung
- Langzeitstabile Katalysatoren für verschiedene chemische Reaktionen
- Integration in polymere Werkstoffe für industrielle Nutzbarkeit
- Förderung durch deutsche und internationale Kooperationen
| Katalysator-Typ | Einsatzgebiet | Besonderheit |
|---|---|---|
| Multiladungs-Molekül (Universität Basel) | Ladungsspeicherung und Elektronentransfer | Speicherung von bis zu vier Ladungen |
| Eisen-basierte Katalysatoren (BASF) | Wasserstoffproduktion | Hohe Stabilität und Regeneration |
| Polymere Einbettung (Covestro) | Langzeitstabile Systeme | Korrosionsschutz, Flexibilität |
Neue Technologien von Sunfire und MAN Energy Solutions zur Speicherung und Nutzung von Wasserstoff
Die Gewinnung von Wasserstoff ist nur ein Teil der Herausforderung. Die Speicherung und Nutzung dieses Energieträgers ist ebenso entscheidend für die praktische Anwendung. Sunfire und MAN Energy Solutions arbeiten an innovativen Systemen, die Wasserstoff effizient speichern und direkt in industrielle Prozesse integrieren können.
Sunfire setzt auf Hochtemperatur-Elektrolyse, um Wasserstoff nachhaltig zu produzieren und als Synthesegas für verschiedene Kraftstoffe zu verwenden. Dies ermöglicht die Erzeugung von Methanol, synthetischem Benzin oder Ammoniak mit nahezu CO₂-neutraler Bilanz. MAN Energy Solutions wiederum entwickelt Motoren und Kraftwerksanlagen, die speziell für den Wasserstoffbetrieb ausgelegt sind, wodurch eine effiziente Nutzung in der Schifffahrt oder Energieerzeugung realisierbar wird.
- Hochtemperatur-Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung (Sunfire)
- Entwicklung wasserstoffbetriebener Motoren und Kraftwerke (MAN Energy Solutions)
- Integration in bestehende Industrieprozesse und Infrastruktur
- Enge Kooperation mit Linde für Wasserstoffversorgung und Logistik
| Technologie | Funktion | Anwendungsbereich |
|---|---|---|
| Hochtemperatur-Elektrolyse (Sunfire) | Erzeugung von Synthesegas aus Wasserstoff | Kraftstoffproduktion |
| Wasserstoffbetriebene Motoren (MAN Energy Solutions) | Direkte Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff | Schifffahrt, Energieerzeugung |
| Wasserstofflogistik (Linde) | Transport und Verteilung von Wasserstoff | Industrie, Energieversorgung |
Globale Kooperationen und Herausforderungen für den Durchbruch der künstlichen Photosynthese
Die Komplexität der künstlichen Photosynthese erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Industrie und Politik. Fraunhofer Gesellschaft koordiniert mit Partnern aus Japan (Universität Tokyo) und den USA (Caltech) internationale Forschungsnetzwerke. In diesen Netzwerken arbeiten Experten aus verschiedenen Disziplinen zusammen, um die Prozesse an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff besser zu verstehen und zu optimieren. Ebenso wichtig sind die Fragen der Korrosionsbeständigkeit und der Skalierbarkeit der Systeme.
Bayer und Covestro engagieren sich in der Entwicklung nachhaltiger Materialien, um die Produktionskosten niedrig zu halten und gleichzeitig die Umweltbelastung zu minimieren. Die Politik unterstützt diese Bestrebungen mit Förderprogrammen und setzt auf eine konsequente Transformation des Energiesektors hin zu erneuerbaren und CO₂-neutralen Energieträgern.
- Internationale Forschungsnetzwerke zur Kollaboration
- Multidisziplinäre Entwicklung ans Systemintegration
- Förderprogramme für nachhaltige Technologien
- Produktsicherheit, Skalierbarkeit und Korrosionsschutz
| Partner | Fokus | Beitrag |
|---|---|---|
| Fraunhofer Gesellschaft | Forschung und Entwicklung künstlicher Photosynthese | Technologieentwicklung, Materialforschung |
| Universität Tokyo | Grundlagenforschung zur Wasserspaltung | Materialverbesserungen und Katalysatoren |
| Caltech (USA) | Nanostrukturierte Systeme | Skalierbare Designkonzepte |
| Siemens | Industrielle Anwendung und Systemintegration | Prozessentwicklung und Implementierung |
Zukunftspotenzial und Anwendungsmöglichkeiten der künstlichen Photosynthese in der Energiewende
Die künstliche Photosynthese verspricht nicht nur eine nachhaltige Energiequelle, sondern hat das Potenzial, ganze Industriezweige zu transformieren. Sie könnte die Grundlage für klimaneutrale Treibstoffe bilden, die den CO₂-Ausstoß erheblich reduzieren. Besonders die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff bietet Chancen für umweltfreundliche Mobilität, etwa in der Schifffahrt oder im Luftverkehr.
Unternehmen wie BASF und Sunfire entwickeln bereits Pilotanlagen, in denen Wasserstoff erzeugt und in synthetische Kraftstoffe umgewandelt wird. Die Kombination mit innovativen Speichersystemen von MAN Energy Solutions macht die Technologie praktisch nutzbar und ermöglicht eine Integration in bestehende Energiesysteme. Linde sorgt für die notwendige Infrastruktur, um Wasserstoff sicher zu transportieren und zu verteilen.
Die Anwendungen reichen von stationären Kraftwerken über Mobilität bis hin zur chemischen Industrie, wo klimaneutrale Ausgangsstoffe benötigt werden. Die künstliche Photosynthese könnte so zum Schlüssel für eine vollständig nachhaltige Energieversorgung werden, wenn technische Hürden überwunden und Produktionsprozesse wirtschaftlich gestaltet werden.
- Klimaneutrale Wasserstoff- und Kraftstoffproduktion
- Integration in Mobilität und Industrie
- Beitrag zur CO₂-Reduktion und Klimaschutz
- Langfristige Perspektiven für Energiesysteme
| Anwendungsbereich | Beispielunternehmen | Technologiefokus |
|---|---|---|
| Mobilität (Schifffahrt, Luftfahrt) | MAN Energy Solutions, Linde | Wasserstoffbetriebene Motoren, Logistik |
| Stationäre Energieversorgung | Siemens, Fraunhofer Gesellschaft | Wasserstofferzeugung, Systemintegration |
| Chemische Industrie | BASF, Bayer, Covestro | Katalysatoren, Klimaneutrale Rohstoffe |
Künstliche Photosynthese – Der Weg zur nachhaltigen Energiegewinnung
Häufig gestellte Fragen zur künstlichen Photosynthese
Wie funktioniert künstliche Photosynthese genau?
Sie nutzt Halbleiter, Katalysatoren und bio-inspirierte Moleküle, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln und Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
Wann wird die Technologie industriell einsetzbar sein?
Experten rechnen mit ersten Demonstrationsanlagen in den nächsten zehn bis fünfzehn Jahren, abhängig von weiteren Forschungs- und Entwicklungsfortschritten.
Welche Unternehmen treiben die Forschung maßgeblich voran?
Zu den führenden Akteuren gehören Siemens, BASF, Bayer, Covestro, Fraunhofer Gesellschaft, Heliatek, Evonik, Sunfire, MAN Energy Solutions und Linde.
Welche Vorteile bietet künstliche Photosynthese im Vergleich zu herkömmlicher Solarenergie?
Sie kann direkte Produktion von Wasserstoff und klimaneutralen Treibstoffen ermöglichen, was eine effizientere und vielseitige Nutzung der Sonnenenergie erlaubt.
Gibt es Herausforderungen bei der Skalierung der Technologie?
Ja, insbesondere die Stabilität der Materialien, Kosten der Massenfertigung und die Integration komplexer Systeme sind noch Hürden, die überwunden werden müssen.
