Photokatalyse wird für den Ausbau erneuerbarer grüner Energie eingesetzt

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ENERGIEWIRTSCHAFT

Die Bestrebungen der Staaten, die Ziele des Pariser Abkommens zur Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu erreichen, sowie der europäische Green Deal und der REPowerEU-Plan sehen vor, dass die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 45 % gesenkt und bis 2050 auf Null reduziert werden müssen.

Um dies zu erreichen, muss die Verbrennung fossiler Brennstoffe, die Treibhausgase ausstößt und wesentlich zum vom Menschen verursachten Klimawandel beiträgt, durch alternative erneuerbare Energiequellen ersetzt werden. Die Solarenergie, bei der Sonnenlicht direkt in Elektrizität umgewandelt wird, hat sich zu einer Schlüsselkomponente der Strategien für erneuerbare Energien entwickelt. Es gibt jedoch noch eine andere Methode zur Erzeugung sauberer Energie aus dem Licht der Sonne.

 

Das Argument für die Photokatalyse

Unter Photokatalyse versteht man die Nutzung von Sonnenlicht als Energiequelle für chemische Umwandlungen, z. B. die künstliche Spaltung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff. Die Photokatalyse orientiert sich an Organismen wie Pflanzen, die Sonnenlicht in einem Prozess namens Photosynthese in chemische Energie umwandeln. Das Ziel von Netto-Null-Emissionen bis 2050 wäre mehr als nur ein Wunschtraum, wenn dieser Wasserstoff natürliche Gase als Brennstoffquelle ersetzen würde. Auf diese Weise würden weniger Kohlenstoff und Treibhausgase in der Atmosphäre freigesetzt werden.

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Global Challenges veröffentlichte Studie untersucht drei Fallstudien, in denen Photokatalysatoren in unterschiedlichem Umfang eingesetzt werden, von einem Laborexperiment über ein Pilotprogramm im Freien bis hin zu einem riesigen Paneelsystem in Industrieanlagengröße. Pablo Jiménez Calvo, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, ist der korrespondierende Autor der Studie. Er sagte, dass die Photokatalyse eine vielversprechende Methode zur Erzeugung erneuerbarer Energie ist, da sie lediglich Licht und Katalysatoren nutzt, um Sonnenenergie, die reichhaltigste erneuerbare Energiequelle, in chemische Energie umzuwandeln. Dieser Ansatz ist sauber, effektiv und langlebig.

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Er fuhr fort, dass photokatalytische Prozesse zur Herstellung von Molekülen wie Feinchemikalien, Medikamenten und Agrochemikalien sowie von Brennstoffen wie Wasserstoff oder Alkoholen führen können. Der Prozess muss jedoch gewaltige Hindernisse überwinden, wie z. B. Skalierbarkeit, Effizienz und Erschwinglichkeit, um genügend Energie zu erzeugen, um die fossilen Brennstoffe zu entlasten.

 

Wird es zu einer großtechnischen Produktion kommen?

Das Ziel der in der Studie untersuchten Experimente war laut Jiménez-Calvo der Transfer von Technologien zur Erzeugung von Wasserstoff in größerem Maßstab. Geringe photokatalytische Aktivität, Probleme mit der Bandlückenenergie, schnelle Rekombination der photogenerierten Elektronen und Löcher, Stabilitätsprobleme, ineffizienter Lichtverbrauch und Kosten sind einige der Schwierigkeiten, die bei der Photokatalyse überwunden werden müssen, so der Autor. Die Wirksamkeit von Photokatalysatoren und ihre praktische Anwendung werden durch diese Überlegungen eingeschränkt, fügte er hinzu. Um sie zu überwinden, müssen die bestehenden Trends, Ideen und Ansätze zur Verbesserung der Aktivität der Technologie neu bewertet werden.

Jiménez-Calvo analysierte ausführlich die Ergebnisse der drei Untersuchungen und ihre möglichen Auswirkungen auf die breite Anwendung der künstlichen Wasserspaltung. Er behauptete, dass ein kompakter Reaktor mit besseren technischen Eigenschaften im Labormaßstab geschaffen worden sei. „Im Vergleich zu früheren Forschungen führte dies zu höheren Raten der Photoproduktion von Wasserstoff. Die höheren Quantenausbeuten deuten darauf hin, dass der Anstieg höchstwahrscheinlich auf verringerte Prozessverluste zurückzuführen ist, z. B. auf eine verbesserte Lichtabsorption in der Photonik.

Das Pilotgerät wurde in einer Außenumgebung getestet, was die Lebensfähigkeit der Photokatalysatortechnologie in solchen Umgebungen beweist. Und schließlich, so Dr. Jiménez-Calvo, haben japanische Forscher ein riesiges Paneelsystem entwickelt, das, obwohl es sich im Freien befindet und wesentlich mehr Wasserstoff erzeugt, eine ähnliche Umwandlungsrate von Sonnenenergie in Wasserstoff erreicht wie das Laborgerät. Dieses Projekt stellt einen bedeutenden Konzeptnachweis für die photokatalytische Wissenschaft dar.

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Weitere Investitionen

Die drei Untersuchungen haben gezeigt, dass die neueste technologische Entwicklung in verschiedenen Größenordnungen Anwendung findet. Die Daten „unterstützen das Potenzial für weitere Investitionen und eine Ausweitung der Photokatalyse-Technologie, da die Photokatalyse über das Pilot- und Laborstadium hinaus fortgeschritten ist, wie die erfolgreichen Installationen von Panel-Array-Anlagen zeigen“, fügte Jiménez-Calvo hinzu. Die Photokatalyse ist nicht nur eine Quelle sauberer, erneuerbarer Energie, sondern auch anpassungsfähig und kann zur Wasser- und Luftreinigung sowie zur Herstellung von energiespeichernden Materialien in Form von Supraleitern eingesetzt werden, die durch Sonneneinstrahlung aus ihrem Grundzustand gehoben werden.

„Die Photokatalyse hat das Potenzial, die Energiewirtschaft völlig zu revolutionieren. „Mit der richtigen Taktik und technologischen Fortschritten kann die Photokatalyse ihren technologischen Reifegrad verbessern und sich zu einer praktikablen, effektiven, sauberen und nachhaltigen Energieoption für die Zukunft entwickeln“, sagte Jiménez-Calvo.

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