Die Erzeugung von Solarbrennstoffen ist eine Methode zur Herstellung von Brennstoff, die auf der Erzeugung chemischer Reaktionen unter Verwendung der Strahlung von Sonnenenergie basiert. Diese chemischen Prozesse ermöglichen die Erzeugung von Energie, die sonst aus fossilen Brennstoffen oder aus Kernkraft stammen würde.
Ein großer Vorteil der solaren Brennstofferzeugung ist, dass sie leicht transportiert und gelagert werden kann. Das Hinzufügen eines Schrittes bei der Erzeugung elektrischer Energie (Brennstofferzeugung) impliziert jedoch eine Verringerung des Wirkungsgrads: Das Hinzufügen eines zusätzlichen Schritts zwischen Energiespeicherung und Stromerzeugung verringert den Wirkungsgrad des Gesamtprozesses drastisch.
Das Ergebnis ist ein flüssiger Kraftstoff, der aus einer erneuerbaren und nachhaltigen Energiequelle gewonnen wird.
Arten von solarchemischen Reaktionen
Von der Sonne induzierte chemische Reaktionen können unterteilt werden in:
thermochemische Reaktion
Eine thermochemische Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der eine thermodynamische Umwandlung stattfindet. Mit anderen Worten, es ist eine Reaktion, die thermische Energie erzeugt oder absorbiert.
photochemische Reaktion
Photochemische Reaktionen erzeugen Wechselwirkungen zwischen Atomen, kleinen Molekülen und Licht. In der Photochemie gibt es zwei sehr wichtige physikalische Gesetze:
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Der erste Hauptsatz der Photochemie besagt, dass Licht von einer Chemikalie absorbiert werden muss, damit eine photochemische Reaktion stattfinden kann.
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Der zweite Hauptsatz der Photochemie besagt, dass für jedes von einem chemischen System absorbierte Lichtphoton nur ein Molekül für eine photochemische Reaktion aktiviert wird.
Was ist Solarchemie?
Solarchemie bezieht sich auf eine Reihe möglicher Prozesse, die Sonnenenergie nutzen, indem sie Sonnenlicht in einer chemischen Reaktion absorbieren. Die Idee ähnelt konzeptionell der Photosynthese in Pflanzen, die Sonnenenergie in die chemischen Bindungen von Glukosemolekülen umwandelt, jedoch ohne lebende Organismen.
Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, gebündeltes Sonnenlicht zu nutzen, um die Energie bereitzustellen, die erforderlich ist, um Wasserstoff und Sauerstoff in Gegenwart eines Metallkatalysators wie Zink aus Wasser zu spalten.
Ein anderer Ansatz besteht darin, den dabei entstehenden Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan zu verbinden. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass es eine etablierte Infrastruktur für den Transport und die Verbrennung von Methan zur Stromerzeugung gibt, was für Wasserstoff nicht gilt.
Der Hauptnachteil dieser beiden Ansätze ist den meisten Energiespeichermethoden gemeinsam: Das Hinzufügen eines zusätzlichen Schritts zwischen Energiespeicherung und Stromerzeugung verringert die Effizienz des Gesamtprozesses drastisch.
Was ist künstliche Photosynthese?
Künstliche Photosynthese ist ein chemischer Prozess, der den natürlichen Prozess der Photosynthese nachahmt, der Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid in Kohlenhydrate und Sauerstoff umwandelt.
Der Begriff bezieht sich im Allgemeinen auf jedes System zum Einfangen und Speichern der Energie des Sonnenlichts in den chemischen Bindungen eines Brennstoffs (Solarbrennstoff). Die photokatalytische Wasserspaltung wandelt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff um. Die photochemische Reduktion von Kohlendioxid ist ein weiterer untersuchter Prozess und reproduziert die natürliche Fixierung von Kohlenstoff.
Die Forschung in diesem Bereich umfasst:
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Das Design und der Bau von Geräten zur direkten Herstellung von solaren Brennstoffen
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Photoelektrische Chemie und ihre Anwendungen in Brennstoffzellen
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Das Engineering von Enzymen und photoautotrophen Mikroorganismen für mikrobielle Biokraftstoffe und die Produktion von Biowasserstoff aus Sonnenlicht.
Zukunftsaussichten für Solarbrennstoff
Eine der aktuellen Herausforderungen ist die Entwicklung der katalytischen Mehrelektronenchemie, die an der Herstellung von Kraftstoffen auf Kohlenstoffbasis (wie Methanol) durch die Reduktion von Kohlendioxid beteiligt ist.
Eine brauchbare Alternative ist Wasserstoff. Diese Technik erfordert die Beherrschung der Mehrelektronenoxidation zweier Wassermoleküle zu molekularem Sauerstoff.
In bestimmten Sektoren ist geplant, bis zum Jahr 2050 mit Solarkraftstoffanlagen in Küstenregionen von Metropolen zu arbeiten.
Technologien zur Herstellung von Wasserstoff stellen seit den 1970er Jahren ein wichtiges Gebiet der Forschungsteams der Solarchemie dar. Neben der photovoltaischen oder photochemischen zellengetriebenen Elektrolyse wurden auch verschiedene thermochemische Prozesse erforscht.
Ein weiterer Ansatz nutzt Wärme aus Solarkonzentratoren, um die Dampfreformierung von Erdgas voranzutreiben und so die Gesamtausbeute an Wasserstoff im Vergleich zu herkömmlichen Reformierungsverfahren zu erhöhen. Thermochemische Zyklen, die durch die Zersetzung und Regenerierung von Reaktanten gekennzeichnet sind, stellen einen weiteren Weg für die Wasserstofferzeugung dar.
