CEC – Chemische Energiekonversion

Politiker, Unternehmer, Wissenschaftler und Bürger, sind sich einig darüber, dass eine globale Energiewende erforderlich ist. Das Ziel besteht darin, zu einer Energiewirtschaft zu gelangen, die nachhaltig, umweltfreundlich und kostengünstig ist. Die Verwirklichung dieses Ziels sind betrifft neen vielen politischen und technischen Problemen auch generelle Fragen der chemischen Grundlagenforschung. Diese Fragen drehen sich in erster Linie um Gewinnung, Speicherung und Transport von Energie. Die chemische Energieumwandlung spielt dabei eine entscheidende Rolle: Denn die effizienteste (verlustärmste) Energieumwandlung ist die chemische – darunter wieerumg die effizienteste die gasförmige.

Lösung liegt im Sonnenlicht

Die Natur gibt das beste Beispiel für eine hocheffiziente Energieverwertung. Die Energieumwandlungsprozesse der Natur führen mit hoher Effizienz zur Speicherung von Sonnenenergie in chemischen Bindungen. Alle in der Natur von Menschen, Tieren oder Pflanzen umgesetzte Energie entstammt schlussendlich dem Sonnenlicht. In der Tat strahlt die Sonne in jeder einzelnen Stunde genug Energie auf die Erde, um den globalen Energiebedarf für ein gesamtes Jahr zu decken. Es ist natürlich unmöglich, diese gesamte Energie zu nutzen. Die Zahl veranschaulicht aber, dass selbst ein Bruchteil der zur Verfügung stehenden Sonnenenergie ausreicht, um die Energiewirtschaft der Zukunft zu betreiben. Die Herausforderung besteht darin, die zugrunde liegende Chemie in effizienter Form und im globalen Maßstab zu implementieren. Dazu wird es der konzertierten Anstrengung von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Politikern bedürfen.In der Natur wird Energie durch den hochkomplizierten Vorgang der Photosynthese in Form von energiereichen Molekülen, z.B. Zuckern, gespeichert. Die in den Molekülen gespeicherte Energie wird von Organismen gezielt genutzt, um Lebensprozesse aufrecht zu erhalten oder Biomasse zu produzieren. Die in natürlichen Prozessen ablaufenden chemischen Vorgänge stellen ein Vorbild für die Energieforschung dar, denn sie vereinen höchste Effizienz, Nachhaltigkeit und schonen die Umwelt. Durch die Photosynthese werden Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) in nützliche organische Moleküle, wie z.B. Zucker, und in Sauerstoff (O2) überführt. Die dabei anfallenden Abfallprodukte wie O2 werden in die Atmosphäre “entsorgt”.Der zweite benötigte Ausgangsstoff für diese einzigartige Chemie ist Wasser, also H2O. Dieser steht auf der Erde in praktisch unerschöpflichen Mengen zur Verfügung.

Leider ist es nicht möglich, die Photosynthese chemisch im Reagenzglas mit den Mitteln der synthetischen Chemie nachzubauen. Dafür sind die beteiligten Moleküle viel zu komplex und auch zu empfindlich. Auch die Natur muss ständig hochkomplizierte Reparaturmechanismen einsetzen, um die Photosynthese aufrecht zu erhalten. Das Anliegen der chemischen Grundlagenforschung im Bereich der Energieforschung muss es daher sein, die grundlegenden energiegewinnenden chemischen Reaktionen im Detail zu verstehen. Eine ganz besondere Rolle kommt dem Verständnis der Katalysatoren zu, also jenen Stoffen, die einzelne Reaktionen erst ermöglichen, ohne dass sie selbst bei der Reaktion verbraucht werden. In der Natur sind das Enzyme, im Labor meist metallhaltige chemische Verbindungen. Die natürlichen Prozesse dienen dabei als Quelle der Inspiration.

Speichern von Sonnenenergie: ohne Katalysator geht es nicht

Die Speicherung der primären Sonnenenergie in Form von chemischen Bindungen birgt sehr viele Vorteile. Insbesondere ist es dadurch möglich die in irregulären Intervallen anfallende Sonnenenergie, die abhängig ist von Standort, Tageszeit, Jahreszeit oder Bewölkungsgrad, mit den Anforderungen des Energieverbrauches in Einklang zu bringen.  Der Energieverbrauch schwankt wiederum in Abhängigkeit von den Lebensgewohnheiten der Menschen, er hängt also in erster Linie von Tages- und Jahreszeit ab. Katalytische Systeme zur Durchführung dieser Reaktionen befinden sich in der jüngsten Vergangenheit in einer stürmischen Entwicklung. Es ist von zentraler Bedeutung, bei diesen Entwicklungen auf die Nachhaltigkeit der Prozesse zu achten. Das bedeutet, dass die in den Katalysatoren eingesetzten Substanzen in ausreichender Menge auf der Erde vorhanden und auch zugänglich sein müssen, um die Prozesse im globalen Maßstab durchführen zu können. Nach allen vorliegenden Erkenntnissen werden diese Katalysatoren Metallionen enthalten müssen. In der Praxis bedeutet das, dass bestimmten Metallen eine besondere Bedeutung zufällt, da nur diese in ausreichender Menge auf der Erde vorhanden sind. Dies sind v.a. die Metalle der ersten Übergangsreihe des Periodensystems der Elemente. Die Natur hat genau diesen Ansatz gewählt: alle energieerhaltenden Reaktionen der Natur basieren auf genau diesen Metallen. Die Chemie dieser Metalle ist aber durch ihre besonderen Bindungsverhältnisse besonders komplex, so dass allermodernste theoretische und analytische Methoden zur Aufklärung ihrer Reaktionsmechanismen eingesetzt werden müssen.

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