Chemische Energiespeicher: Der Schlüssel zu einer umweltfreundlichen Energieversorgung? Blog#138
Hier findest du einen von einer KI generierten englischsprachigen Podcast über diesen Blogartikel: LINK.
Die Energiewende stellt uns vor große Herausforderungen. Um den Anteil erneuerbarer Energien von 19 % im Jahr 2020 auf 100 % bis 2045 zu steigern, müssen wir nicht nur die Erzeugung von Ökostrom massiv ausbauen, sondern auch effiziente Speichertechnologien entwickeln. Die Energiespeicherung in chemischen Molekülen könnte dabei eine zentrale Rolle spielen, indem sie die Schwankungen bei Wind- und Solarenergie ausgleicht und eine zuverlässige Energieversorgung sicherstellt.
Norbornadien-Moleküle sind jedoch nicht effizient genug, um das Sonnenlicht direkt zu absorbieren, vor allem nicht im sichtbaren Bereich des Spektrums. Hier kommen Sensibilisatoren ins Spiel: Sie sind entscheidend für die Funktionsweise des MOST-Systems, weil sie das Licht der Sonne besonders gut aufnehmen und die Energie an die Norbornadiene weitergeben können. Ohne Sensibilisatoren wäre die Lichtabsorption ineffizient und die Energieumwandlung nicht ausreichend. Sensibilisatoren sorgen dafür, dass die Energieübertragung effizient ist und somit ein höherer Anteil der Sonnenenergie gespeichert werden kann.
In den Arbeiten von Kerzig et al. wurden unter anderem Ir(ppy)3 und MeOTX als geeignete Sensibilisatoren beschrieben. MeOTX (Methoxyphenyl-Triethyloxazol) absorbiert besonders gut blaues Licht und überträgt die Energie effizient auf Norbornadiene. Ir(ppy)3 (Tris(2-phenylpyridin)iridium(III)) überzeugt durch seine hohe Photostabilität, die einen Abbau von nur etwa 1 % pro Zyklus gewährleistet, und kann Photonen bis zu einer Wellenlänge von 523 nm nutzen.
Grafiken übernommen aus (LINK) und LINK.
Power-to-Gas-Technologie
Die Energiewende stellt uns vor große Herausforderungen. Um den Anteil erneuerbarer Energien von 19 % im Jahr 2020 auf 100 % bis 2045 zu steigern, müssen wir nicht nur die Erzeugung von Ökostrom massiv ausbauen, sondern auch effiziente Speichertechnologien entwickeln. Die Energiespeicherung in chemischen Molekülen könnte dabei eine zentrale Rolle spielen, indem sie die Schwankungen bei Wind- und Solarenergie ausgleicht und eine zuverlässige Energieversorgung sicherstellt.
Neue Forschung: MOST-Systeme zur Energiespeicherung
Eine neue Studie von Christoph Kerzig und seinem Team, durchgeführt an den Universitäten Mainz und Siegen und veröffentlicht in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie (LINK), beschreibt eine vielversprechende Methode zur Energiespeicherung in organischen Molekülen. Diese Methode, genannt MOST (Molecular Solar Thermal Energy Storage), könnte eine Schlüsseltechnologie für die langfristige und effiziente Speicherung von Sonnenenergie werden.Funktionsweise des MOST-Systems
Das MOST-System basiert auf speziellen Molekülen, sogenannten Aryl-substituierten Norbornadienen, die Energie speichern können, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Diese Moleküle ändern ihre Struktur, wenn sie Licht absorbieren, und speichern dabei Energie in Form von Quadricyclan.Norbornadien-Moleküle sind jedoch nicht effizient genug, um das Sonnenlicht direkt zu absorbieren, vor allem nicht im sichtbaren Bereich des Spektrums. Hier kommen Sensibilisatoren ins Spiel: Sie sind entscheidend für die Funktionsweise des MOST-Systems, weil sie das Licht der Sonne besonders gut aufnehmen und die Energie an die Norbornadiene weitergeben können. Ohne Sensibilisatoren wäre die Lichtabsorption ineffizient und die Energieumwandlung nicht ausreichend. Sensibilisatoren sorgen dafür, dass die Energieübertragung effizient ist und somit ein höherer Anteil der Sonnenenergie gespeichert werden kann.
In den Arbeiten von Kerzig et al. wurden unter anderem Ir(ppy)3 und MeOTX als geeignete Sensibilisatoren beschrieben. MeOTX (Methoxyphenyl-Triethyloxazol) absorbiert besonders gut blaues Licht und überträgt die Energie effizient auf Norbornadiene. Ir(ppy)3 (Tris(2-phenylpyridin)iridium(III)) überzeugt durch seine hohe Photostabilität, die einen Abbau von nur etwa 1 % pro Zyklus gewährleistet, und kann Photonen bis zu einer Wellenlänge von 523 nm nutzen.
Das MOST-System funktioniert in vier Schritten:
- Lichtabsorption: Der Sensibilisator absorbiert Licht und geht in einen angeregten Zustand über.
- Energieübertragung: Die Energie des Sensibilisators wird auf das Norbornadien-Molekül übertragen, das dadurch in einen energiereichen Zustand übergeht.
- Umwandlung: Das Norbornadien wird zu Quadricyclan umgewandelt und speichert die Energie in seiner chemischen Struktur.
- Energiefreisetzung: Bei Bedarf kann das Quadricyclan wieder in seine ursprüngliche Form zurückverwandelt werden, wodurch die gespeicherte Energie freigesetzt wird.
Vergleich mit anderen Energiespeichertechnologien
Um die Vorteile des MOST-Systems besser einordnen zu können, vergleichen wir es mit anderen Energiespeichertechnologien.
Power-to-Gas-Technologie
- Vorteile: Power-to-Gas (PtG) wandelt überschüssigen Strom in Wasserstoff oder Methan um, wodurch die Energie langfristig gespeichert werden kann und die bestehende Infrastruktur (Gasleitungen und Speichertanks) kann genutzt werden.
- Nachteile: PtG ist derzeit noch ineffizient (50-70 %) und teuer und die Energieverluste bei der Umwandlung und Rückverstromung sind hoch.
Batteriespeicher
- Vorteile: Batterien haben eine sehr hohe Energieeffizienz von über 90 % und sind gut für die kurzfristige Speicherung geeignet. Zudem sind Lithium-Ionen-Batterien sind weit verbreitet und technologisch ausgereift.
- Nachteile: Die Rohstoffgewinnung für Batterien belastet die Umwelt und die Ressourcen sind begrenzt. Zudem ist die Energiedichte im Vergleich zu chemischen Speichern wie Norbornadien relativ gering.
MOST-System
- Vorteile: MOST-Systeme sind nachhaltig, nutzen organische Moleküle und benötigen keine seltenen oder giftigen Materialien. Das MOST-System kann eine hohe Energiemenge pro Kilogramm speichern (etwa 1000 kJ/kg). Zusätzlich können die Moleküle im MOST-System Energie lange speichern, ohne große Verluste.
- Nachteile: Die derzeitige Effizienz des MOST-Systems liegt bei etwa 5,8 %, was im Vergleich zu Batterien noch signifikant verbessert werden muss. Das System befindet sich noch in der Entwicklung und muss weiter optimiert werden, bevor es in großem Umfang nutzbar ist.
Herausforderungen und Zukunftsperspektiven
Das MOST-System bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Speicherung von Sonnenenergie. Die neuesten Forschungsergebnisse zeigen, dass durch die Nutzung spezieller Sensibilisatoren die Effizienz der Lichtnutzung erheblich gesteigert werden kann. Zukünftige Studien werden sich auf die Optimierung der Molekülstruktur und die Verbesserung der Katalysatoren konzentrieren, um die Effizienz des MOST-Systems weiter zu erhöhen.Fazit
Investitionen in innovative Technologien wie das MOST-System sind entscheidend, um die Klimaziele zu erreichen und eine vollständig erneuerbare Energieversorgung zu ermöglichen. Die Kombination verschiedener Speichersysteme – einschließlich Batterien, Power-to-Gas und molekularer Speicher wie MOST – könnte der Schlüssel zu einer nachhaltigen Energiezukunft sein._________________________________________________________________________
Verantwortlicher: Klaus Rudolf; Kommentare und Fragen bitte an: rudolfklausblog@gmail.com
Auf diesem Blog teile ich meine persönlichen Meinungen und Erfahrungen . Es ist wichtig zu betonen, dass ich weder Arzt noch Finanzberater bin. Jegliche Informationen, die ich in meinem Blog vorstelle, stellen weder Anlageempfehlungen noch Therapieempfehlungen dar. Für fundierte Entscheidungen in Bezug auf Gesundheitsfragen oder Finanzanlagen empfehle ich, sich umfassend zu informieren und bei Bedarf einen professioniellen Experten zu konsultieren.
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