Ökostrom zu produzieren, ist kein Problem mehr. An einem sonnigen, windigen Sonntag im Sommer decken Deutschlands Photovoltaik- und Windkraftanlagen um die Mittagszeit bereits den gesamten Strombedarf. Und der Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtverbrauch soll weiter steigen – von jetzt rund 25 auf 40 Prozent im Jahr 2020. Doch es bleibt ein Problem: Wie soll man große Mengen Ökostrom für Zeiten speichern, in denen nicht die Sonne scheint?

Pumpspeicherkraftwerke, Batterien oder innovative Speichertechnologien haben zu wenig Kapazität, sind noch zu teuer oder zu verlustreich. Nun aber scheint der Durchbruch für eine neue Technologie in Sicht: Aus Wasser lässt sich durch künstliche Photosynthese Wasserstoff erzeugen, der sich auch speichern lässt und ein vielversprechender Energieträger der Zukunft ist.

Vorbild für dieses Verfahren ist die „Chemiefabrik“, die in den Blättern von Pflanzen arbeitet. Sie produziert Biomasse und Sauerstoff. So wird auch bei der künstlichen Photosynthese die Energie des Sonnenlichts genutzt, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Daran wird weltweit schon seit Jahrzehnten geforscht – bisher jedoch mit mäßigem Erfolg. Nun aber berichten Berliner Wissenschaftler über Fortschritte, die eine technische Anwendung möglich erscheinen lassen. Der Clou: Der Wasserstoff könnte wie Erdgas gehandhabt werden. Er ließe sich in Tanks speichern oder über das Erdgas-Netz verteilen. Das Gas könnte zum entscheidenden Speicher für die künftige Energiewirtschaft werden.

Für die künstliche Photosynthese spricht dabei, dass sie den verlustreichen Umweg vermeidet, der bei der derzeit in der Entwicklung befindlichen Speichertechnik namens „Power to Gas“ benutzt wird. Hierbei wird zuerst Strom produziert, der dann in einem weiteren Gerät zur Gasgewinnung eingesetzt wird. „Noch ist solch ein Photo-Elektrolyseur eine Vision, zu der wir mit unseren grundlegenden Arbeiten beitragen möchten“, sagt Lutz Geelhaar vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI), das zum Forschungsverbund Berlin gehört. Der Halbleiter-Physiker warnt allerdings vor übereilten Erwartungen: „Das ist Grundlagenforschung, das kann man in drei Jahren noch nicht kaufen.“ Aber ein wenig träumen darf auch ein Forscher.

Gemeinsam mit seinem japanischen Kollegen Jumpei Kamimura und anderen Wissenschaftlern verfolgt Geelhaar das Ziel, die Grundlagen für ein „künstliches Blatt“ zu schaffen. Die Solarzelle befindet sich dabei in einem Wasserbad, in das Sonnenlicht scheint. Die direkte Abspaltung von Wasserstoff unter Lichteinfall war 1970 von japanischen Forschern erstmals beobachtet worden. Der nach ihnen benannte Honda-Fujishima-Effekt beschäftigt seitdem die Wissenschaftler. Denn die Entdeckung gelang unter Verwendung von Titandioxid, einem Material, das beispielsweise vielen Zahnpasten die weiße Farbe verleiht. Und genau da liegt die Crux: Titandioxid absorbiert kaum Licht, die Wasserstoff-Ausbeute ist extrem gering.

Kristallgitter überlistet

„Wir haben deshalb nach dunklen Halbleitermaterialien gesucht, die durch Umwandlung von Sonnenlicht genau die Energiemenge im Kontakt mit Wasser übertragen können, durch die Wassermoleküle aufgespalten werden“, berichtet Kamimura. Und diese Zelle sollte natürlich über Jahre stabil funktionieren: „Es gibt Materialien, die die Wasserspaltung fantastisch gut hinbekommen, aber schon nach einer Minute kaputt gehen.“ Ihre Erfahrungen bei der Entwicklung von Leuchtdioden zahlten sich für Geelhaar und Kamimura aus. Die gemeinsamen Messungen mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zeigten, dass das von ihnen entwickelte Material basierend auf Indium-Gallium-Nitrid als Elektrode für die Wasserstofferzeugung aus Sonnenlicht effizient und stabil arbeitet.

Indium-Gallium-Nitrid ist ein Halbleiter, der auch in Laserdioden eingesetzt wird, die den Spektralbereich von Grün bis zum nahen Ultraviolett abdecken. Sie werden beispielsweise in der Beleuchtungstechnik oder zum Abspielen von Blue-Ray-Discs eingesetzt. Durch unterschiedlich große Anteile von Gallium- und Indiumnitrid kann Licht mit verschiedenen Wellenlängen abgegeben (Wandlung von elektrischer Energie in Licht) oder in der Solarzelle (Lichtenergie in elektrische Energie) aufgenommen werden. So kann etwa in Solarzellen ein größerer Spektralbereich des Sonnenlichts eingefangen werden.

Doch ganz so einfach macht es die Natur den Wissenschaftlern nicht. „Wir benötigen für die Züchtung der Kristallschicht eine Unterlage, die im Kristallgitter ähnlich ist“, erläutert Geelhaar. „Für das Indium-Gallium-Nitrid gibt es leider keine Unterlage, die diese Bedingung erfüllt.“ Kamimura ignorierte das unpassende Kristallgitter und machte trickreiche Versuche in der Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage des Paul-Drude-Instituts.

Schließlich ließ sich das Kristallgitter doch noch überlisten. Wenn schon keine Schicht möglich ist, dann doch feinste Nanodrähte, die Kamimura auf Siliziumunterlagen wachsen lässt. Das ermöglicht es, viel Licht einzufangen. Geelhaar deutet auf die neuesten Messkurven. Nanofasern aus Indium-Gallium-Nitrid, die mit einigen Fremdatomen Magnesium versehen sind, zeigen einen relativ hohen Photostrom, und gleichzeitig entwickelt sich Wasserstoff an der Grenzfläche der Nanodrähte mit Wasser. Co-Katalysatoren wie Platin verbessern zudem die Reaktion.

„Das sind sehr ermutigende Ergebnisse“, meint Geelhaar. „Unsere Nanofasern absorbieren bereits über ein breites Spektrum Licht und wandeln es in Strom um. Die Proben lösen sich zudem nicht auf, sondern liefern über längere Messzeiten konstante Ergebnisse bei der Wasserstoffproduktion.“ Dennoch liegt noch ein weiter Weg vor Geelhaar und Kamimura. Zur Erzeugung des Sauerstoffs an einer Gegenelektrode musste bislang mit einer von außen angelegten elektrischen Hilfsspannung gearbeitet werden. Das nächste Ziel ist nun, die Wasserstoff-Erzeugung durch die Energie des Sonnenlichts autark zu machen.

An einem anderen aussichtsreichen Verfahren, um Wasserstoff direkt zu gewinnen, arbeitet die Technische Universität im niederländischen Delft, ebenfalls in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum. Mit einer einfachen Solarzelle sei es gelungen, fast fünf Prozent der Sonnenenergie chemisch in Form von Wasserstoff zu speichern. Die Zelle sei einfacher aufgebaut als die sonst eingesetzten Hochleistungszellen, die aus drei dünnen Siliziumschichten oder teuren Halbleitern bestehen, schreibt Roel van de Krol im Fachblatt Nature communication. „Wir haben hier das Beste aus zwei Welten kombiniert. Wir nutzen die chemische Stabilität und den niedrigen Preis von Metalloxiden, bringen dies mit einer sehr guten, aber einfachen Silizium-Dünnschicht-Solarzelle zusammen und erhalten so eine günstige, stabile, leistungsstarke Zelle.“

Eine Überschlagsrechnung zeigt, das Potenzial: Bei einer Sonneneinstrahlung von 600 Watt pro Quadratmeter in Deutschland könnten 100 Quadratmeter eines solchen Systems in einer sonnigen Stunde schon drei Kilowattstunden Energie in Form von Wasserstoff abspeichern. Diese Energie würde dann nachts oder an bewölkten Tagen zur Verfügung stehen. Doch es ginge noch besser: Mit einer anderen Anode in dem „künstlichen Blatt“ – an ihr entsteht der Wasserstoff – seien bei dieser Zelle theoretisch sogar Wirkungsgrade bis zu neun Prozent erreichbar, erläutert van de Krol.