Ein Solarkraftstoff ist ein synthetischer chemischer Kraftstoff, der unter Einsatz von Sonnenenergie gewonnen wird. Solarkraftstoffe können durch photochemische (d. h. Aktivierung bestimmter chemischer Reaktionen durch Photonen), photobiologische (d. h. künstliche Photosynthese) und elektrochemische Reaktionen (d. h. Nutzung des Stroms von Sonnenkollektoren zum Auslösen einer chemischen Reaktion) erzeugt werden.Solar Fuels and Artificial Photosynthesis, Nobel Laureate Professor Alan Heeger, RSC 2012
Solarkraftstoffe können auch durch thermochemische Reaktionen erzeugt werden (d. h. durch Nutzung von konzentrierter Solarthermie).
Licht wird als Energiequelle verwendet, wobei Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt wird, typischerweise durch die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff oder von Kohlendioxid zu organischen Verbindungen.
Ein Solarkraftstoff kann erzeugt und für die spätere Verwendung gespeichert werden, wenn kein Sonnenlicht verfügbar ist, was ihn zu einer Alternative zu fossilen Brennstoffen und Batterien macht. Beispiele für solche Kraftstoffe sind Wasserstoff, Ammoniak und Hydrazin. Es werden verschiedene Photokatalysatoren entwickelt, um diese Reaktionen auf nachhaltige, umweltfreundliche Weise durchzuführen. Überblick Die weltweite Abhängigkeit von den schwindenden Reserven fossiler Brennstoffe wirft nicht nur Umweltprobleme auf, sondern auch geopolitische. Solarbrennstoffe, insbesondere Wasserstoff, werden als alternative Energiequelle zum Ersatz fossiler Brennstoffe angesehen, insbesondere dort, wo die Speicherung unerlässlich ist. Strom kann durch Photovoltaik direkt aus Sonnenlicht erzeugt werden, aber diese Energieform ist im Vergleich zu Wasserstoff eher ineffizient zu speichern. Ein Solarbrennstoff kann produziert werden, wann und wo Sonnenlicht verfügbar ist, und für die spätere Verwendung gespeichert und transportiert werden. Dies macht ihn viel praktischer, da er in Situationen verwendet werden kann, in denen kein direktes Sonnenlicht verfügbar ist.
Die am häufigsten erforschten Solarbrennstoffe sind Wasserstoff, da das Ergebnis der Verbrennung nur Wasser ist, und Produkte der photochemischen Kohlendioxidreduktion, die konventionellere Brennstoffe wie Methan und Propan sind. Zukünftige Forschungen befassen sich auch mit Ammoniak und verwandten Substanzen (z. B. Hydrazin). Diese können die mit Wasserstoff verbundenen Herausforderungen bewältigen, indem sie eine kompaktere und sicherere Art der Speicherung von Wasserstoff darstellen. Direkte Ammoniak-Brennstoffzellen werden ebenfalls erforscht.
Solarkraftstoffe können über direkte oder indirekte Verfahren hergestellt werden. Direkte Verfahren nutzen die Energie des Sonnenlichts, um einen Brennstoff ohne zwischengeschaltete Energieumwandlung herzustellen. Die solare Thermochemie nutzt die Wärme der Sonne direkt, um einen Empfänger neben dem Solarreaktor zu erhitzen, in dem der thermochemische Prozess durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu wird bei indirekten Verfahren die Sonnenenergie zunächst in eine andere Energieform (wie Biomasse oder Elektrizität) umgewandelt, die dann zur Herstellung eines Brennstoffs verwendet werden kann. Indirekte Verfahren waren einfacher umzusetzen, haben jedoch den Nachteil, weniger effizient zu sein als die direkte Methode. Daher sollten direkte Methoden als interessanter angesehen werden als ihre weniger effizienten Gegenstücke. Neuere Forschungen konzentrieren sich daher mehr auf diese direkte Umwandlung, aber auch auf Brennstoffe, die sofort zum Ausgleich des Stromnetzes verwendet werden können.
Wasserstoffproduktion Photoelektrochemisch mini|Eine Probe einer photoelektrischen Zelle in einer Laborumgebung. Katalysatoren werden der Zelle hinzugefügt, die in Wasser getaucht und mit simuliertem Sonnenlicht beleuchtet wird. Die sichtbaren Blasen sind Sauerstoff (bilden sich auf der Vorderseite der Zelle) und Wasserstoff (bilden sich auf der Rückseite der Zelle).
In einem solaren photoelektrochemischen Prozess kann Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt werden. Um Sonnenlicht in diesem Prozess zu nutzen, kann eine photoelektrochemische Zelle verwendet werden, bei der eine photosensibilisierte Elektrode Licht in elektrischen Strom umwandelt, der dann zur Wasserspaltung verwendet wird. Ein solcher Zelltyp ist die farbstoffsensibilisierte Solarzelle. Dies ist ein indirekter Prozess, da er Elektrizität erzeugt, die dann zur Bildung von Wasserstoff verwendet wird. Ein weiterer indirekter Prozess unter Verwendung von Sonnenlicht ist die Umwandlung von Biomasse in Biokraftstoff durch photosynthetische Organismen. Der Großteil der durch Photosynthese gewonnenen Energie wird jedoch in lebenserhaltenden Prozessen verwendet und geht daher für die Energienutzung verloren. Als Photosensibilisator kann auch ein Halbleiter verwendet werden. Wenn ein Halbleiter von einem Photon mit einer Energie höher als die Bandlücke getroffen wird, wird ein Elektron in das Leitungsband angeregt und ein Loch im Valenzband erzeugt. Aufgrund der Bandbiegung bewegen sich die Elektronen und Löcher an die Oberfläche, wo diese Ladungen zum Aufspalten der Wassermoleküle verwendet werden. Viele verschiedene Materialien wurden getestet, aber bisher hat keines die Anforderungen für eine praktische Anwendung erfüllt.
Photochemisch In einem photochemischen Prozess wird das Sonnenlicht direkt verwendet, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Da sich das Absorptionsspektrum von Wasser nicht mit dem Emissionsspektrum der Sonne überschneidet, kann keine direkte Dissoziation von Wasser stattfinden; es muss ein Photosensibilisator verwendet werden. Mehrere solcher Katalysatoren wurden als Proof of Concept entwickelt, aber noch nicht für den kommerziellen Einsatz hochskaliert; dennoch bietet ihre relative Einfachheit den Vorteil potenziell geringerer Kosten und einer höheren Energieumwandlungseffizienz. Ein solcher Proof of Concept ist das von Nocera und seinen Mitarbeitern entwickelte „künstliche Blatt“: Eine Kombination aus Katalysatoren auf Metalloxidbasis und einer Halbleitersolarzelle erzeugt bei Beleuchtung Wasserstoff, wobei Sauerstoff das einzige Nebenprodukt ist.
Photobiologisch In einem photobiologischen Prozess wird der Wasserstoff mithilfe photosynthetischer Mikroorganismen (grüne Mikroalgen und Cyanobakterien) in Photobioreaktoren erzeugt. Einige dieser Organismen produzieren Wasserstoff, wenn die Kulturbedingungen geändert werden; Chlamydomonas reinhardtii beispielsweise produziert Wasserstoff anaerob unter Schwefelmangel, das heißt, wenn Zellen von einem Wachstumsmedium in ein anderes, das keinen Schwefel enthält, überführt werden und ohne Zugang zu atmosphärischem Sauerstoff gezüchtet werden. Ein anderer Ansatz bestand darin, die Aktivität des Wasserstoff oxidierenden (Aufnahme-)Hydrogenaseenzyms im diazotrophen Cyanobakterium Nostoc punctiforme zu unterbinden, damit es keinen Wasserstoff verbraucht, der natürlicherweise vom Nitrogenaseenzym unter Stickstoff fixierenden Bedingungen produziert wird. Dieser N. punctiforme-Mutant könnte dann Wasserstoff produzieren, wenn er mit sichtbarem Licht beleuchtet wird.
Ein anderes mutiertes Cyanobakterium, Synechocystis, verwendet Gene des Bakteriums Rubrivivax gelatinosus CBS, um Wasserstoff zu produzieren. Das CBS-Bakterium produziert Wasserstoff durch die Oxidation von Kohlenmonoxid. Forscher arbeiten daran, diese Gene in Synechocystis zu implementieren. Wenn diese Gene angewendet werden können, wird es einige Anstrengungen erfordern, die Probleme der Sauerstoffhemmung bei der Wasserstoffproduktion zu überwinden, aber es wird geschätzt, dass dieser Prozess potenziell bis zu 10 % Sonnenenergie einfangen kann. Dies macht die photobiologische Forschung zu einem sehr spannenden und vielversprechenden Zweig der Wasserstoffproduktionsforschung. Noch immer sind die Probleme bei der Überwindung der Kurzfristigkeit der Algen-Wasserstoffproduktion zahlreich und die Forschung befindet sich in einem frühen Stadium. Diese Forschung bietet jedoch einen gangbaren Weg zur Industrialisierung dieser erneuerbaren und umweltfreundlichen Prozesse.
Thermochemisch mini|PS10 Solarkraftwerk mit Heliostaten Beim solarthermochemischen Prozess wird Wasser mithilfe direkter Sonnenwärme statt Elektrizität in einem Hochtemperatur-Solarreaktor in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Dieser Reaktor erhält einen hochkonzentrierten Sonnenstrom von einem Solarfeld aus Heliostaten, die das Sonnenlicht konzentriert in den Reaktor fokussieren.
Die beiden vielversprechendsten Verfahren sind der zweistufige Ceroxid-Zyklus und der Kupfer-Chlor-Hybrid-Zyklus. Beim Ceroxid-Zyklus besteht der erste Schritt darin, das CeO3 bei über 1400 °C in Ce2O3 umzuwandeln. Nach dem thermischen Reduktionsschritt zur Reduzierung des Metalloxids wird dann durch Hydrolyse bei etwa 800 °C Wasserstoff erzeugt. Der Kupferchlorid-Zyklus erfordert eine niedrigere Temperatur (~500 °C), was diesen Prozess effizienter macht, aber der Zyklus umfasst mehr Schritte und ist auch komplexer als der Ceroxid-Zyklus.
Da die Wasserstoffherstellung eine kontinuierliche Leistung erfordert, umfasst der solarthermochemische Prozess die Speicherung thermischer Energie. Eine andere thermochemische Methode verwendet die solare Reformierung von Methan, ein Verfahren, das den traditionellen Reformierungsprozess fossiler Brennstoffe nachahmt, aber Sonnenwärme ersetzt.
In einer Veröffentlichung in Nature vom November 2021 berichtete Aldo Steinfeld von der Schweizer Technischen Universität ETH Zürich über eine künstliche Photosynthese, bei der aus der Luft absorbiertes Kohlendioxid und Wasserdampf über einen durch konzentrierte Sonnenenergie erhitzten Ceroxidkatalysator geleitet werden, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen, die durch das Fischer-Tropsch-Verfahren in komplexe Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden, aus denen Methanol, ein flüssiger Brennstoff, entsteht. Durch die Skalierung könnten die 414 Milliarden Liter (414 Millionen m3) Flugbenzin produziert werden, die 2019 auf einer Fläche von 45.000 km2 verbraucht wurden: 0,5 % der Sahara. Einer der Autoren, Philipp Furler, leitet das Unternehmen Synhelion, welches 2022 eine Anlage zur Produktion von Solarkraftstoffen in Jülich, westlich von Köln, baute, bevor eine weitere in Spanien errichtet wurde. Im Juli 2025 setzte die zum Lufthansa-Konzern gehörende SWISS-Airlines den Solarkraftstoff als erster Kunde im Flugbetrieb ein.
Kohlendioxidreduktion
Kohlendioxid (CO2) kann mit Hilfe geeigneter Photokatalysatoren zu Kohlenmonoxid (CO) und anderen stärker reduzierten Verbindungen wie Methan reduziert werden. Ein frühes Beispiel war die Verwendung von Tris(bipyridin)ruthenium(II)-chlorid (Ru(bipy)3Cl2) und Kobaltchlorid (CoCl2) zur CO2-Reduktion zu CO. In den letzten Jahren wurden viele neue Katalysatoren gefunden, die CO2 zu CO reduzieren, wonach das CO zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen verwendet werden könnte, beispielsweise mithilfe des Fischer-Tropsch-Verfahrens. Das vielversprechendste System zur solarbetriebenen CO2-Reduktion ist die Kombination einer Photovoltaikzelle mit einer elektrochemischen Zelle (PV+EC). Mit Hilfe solarbetriebener Prozesse kann CO2 auch in andere Produkte wie Formiat und Alkohole umgewandelt werden.