SUNGATE: Ein neues Zeitalter der Solarenergie?

Im Oktober 2023 markierte der Start des SUNGATE Projekts einen bedeutenden Meilenstein in der Forschung nachhaltiger Energiequellen innerhalb der Europäischen Union. Unter der Leitung des renommierten Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) sowie in Zusammenarbeit mit elf weiteren Partnern aus Industrie und Forschung, zielt dieses ehrgeizige Projekt darauf ab, die Grenzen der Energiegewinnung neu zu definieren: SUNGATE steht dabei für eine innovative Technologieplattform, welche die Prinzipien der künstlichen Photosynthese nutzt, um Solarkraftstoffe zu erzeugen – eine nachhaltige und potenziell revolutionäre Energiequelle.

Die SUNGATE-Technologie: Eine innovative Methode

Solarkraftstoffe werden als eine umweltschonende Lösung für verschiedene Sektoren angesehen, darunter Mobilität, private Haushalte und Industriezweige mit hohem CO2-Ausstoß. Bisherige Ansätze zur Nutzung der künstlichen Photosynthese für die Produktion solarer Kraftstoffe waren jedoch durch Ineffizienz, hohe Kosten und mangelnde Eignung für den industriellen Maßstab begrenzt. SUNGATE strebt an, diese Hürden zu überwinden, indem es die Mechanismen der künstlichen Photosynthese (1) mit fortschrittlicher Photoelektrokatalyse (2) und innovativen Mikroverfahrenstechniken (3) für Durchflussreaktoren (4) vereint.

(1) Künstliche Photosynthese

In einem Labor wird eine Art Solarzelle getestet, indem sie in Wasser eingetaucht und mit künstlichem Sonnenlicht beleuchtet wird. Dabei kommen spezielle Stoffe, Katalysatoren, zum Einsatz, die den Prozess unterstützen. Das Ergebnis: Auf einer Seite der Z Copyright: MisterRichValentine, Photo Electric Cell Evolving Hydrogen and Oxygen, CC BY-SA 3.0

Künstliche Fotosynthese ist ein Verfahren, bei dem mithilfe von Lichtenergie, (vornehmlich der Sonne), chemische Energie synthetisiert wird. Dies imitiert den natürlichen Prozess der Photosynthese in Pflanzen, jedoch unter Einsatz technologischer Apparaturen. Das Ziel ist die Erzeugung erneuerbarer Energien durch die Umwandlung von Wasser und Kohlendioxid in alternative Brennstoffe.

(2) Fortgeschrittene Photoelektrokatalyse

Bei der fortgeschrittenen Photoelektrokatalyse handelt es sich um eine Methode, welche Sonnenlicht dazu nutzt, chemische Reaktionen zu beschleunigen. Durch die Anwendung spezifischer Katalysatoren, die Licht absorbieren, wird die gewonnene Energie genutzt, um chemische Umwandlungen zu fördern, die ohne diese Energiezufuhr entweder träge verlaufen oder zusätzliche Energiequellen erfordern würden.

(3) Mikroverfahrenstechnik

Die Mikroverfahrenstechnik befasst sich mit der Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse auf mikroskopischer Ebene. Innerhalb dieser mikrominiaturisierten Systeme können Flüssigkeiten, Gase und weitere Stoffe mit außerordentlicher Präzision und Effektivität manipuliert werden. Dies ermöglicht eine schnellere, sicherere und energieeffizientere Durchführung von Reaktionen sowie eine Steigerung der Produktqualität.

(4) Durchflussreaktoren

Durchflussreaktoren sind Apparate, in denen chemische Reaktionen in einem stetigen Strom ablaufen. Im Unterschied zu konventionellen Reaktoren, in denen die Reaktanten statisch in einem Behälter zur Reaktion gebracht werden, durchfließen die Ausgangsstoffe hier kontinuierlich einen Reaktionskanal. Auf ihrem Weg durch den Reaktor reagieren sie miteinander. Diese kontinuierliche Prozessführung steigert die Effizienz und Sicherheit der Produktion und ermöglicht durch die präzise Kontrolle von Reaktionsparametern wie Temperatur und Druck eine gleichmäßigere Produktqualität.

Stuttgarter Forschungsinitiative kreiert fortschrittliche biohybride Elektrodenmaterialien

An der Universität Stuttgart arbeiten Professorin Anke Krueger und ihr Team daran, innovative Materialien für biohybride Elektroden zu schaffen. Diese basieren auf dünnen Diamantschichten, hergestellt aus Quellen wie Methan. Die Forschung zielt darauf ab, die elektronischen Eigenschaften von Diamant zu optimieren und dessen Oberfläche spezifisch zu funktionalisieren. Das Ergebnis sind effiziente Elektroden, die aus biologischen und synthetischen Komponenten bestehen, um CO2 nachhaltig in solare Brennstoffe und Chemiebausteine umzuwandeln.

Energieeffizienz und Nachhaltigkeit

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Das Ergebnis ist letztendlich vielversprechend: Der Prozess von SUNGATE nutzt die Energie des Sonnenlichts, um aus Wasser und CO2 Energie in Form von Solarkraftstoffen wie Methanol oder Formiat zu gewinnen. Dadurch soll eine erstmalige, modulare Mikroreaktortechnik entstehen, die lediglich Sonnenlicht sowie Wasser und CO2 als Input benötigt. Dieser Ansatz vermeidet nicht nur den Einsatz fossiler Brennstoffe, sondern nutzt auch CO2, ein Treibhausgas, als Ressource.

Ein markantes Merkmal von SUNGATE ist der Verzicht auf toxische oder kritische Rohmaterialien, die in bestehenden photoelektrochemischen Technologien noch Anwendung finden. Mit seinem modularen und skalierbaren Design beabsichtigt SUNGATE, eine flexible und kohlenstoffneutrale Produktion von Solarbrennstoffen für ein breites Spektrum von Anwendungen zu ermöglichen, einschließlich Lösungen für Sektoren mit hohem CO2-Ausstoß wie die Zement-, Stahl- und Chemieindustrie.

Das Ziel des Projekts ist es, einen Prototyp auf dem fünften Niveau der technologischen Reife (TRL 5) zu entwickeln, was einen bedeutenden Durchbruch in der Technologie darstellt. Dieser Durchbruch könnte wesentlich dazu beitragen, eine weltweite Energieversorgung zu erschwinglichen und nachhaltigen Kosten zu ermöglichen und einen entscheidenden Beitrag zur Erfüllung der Klimaneutralität im Rahmen des Green Deals bis zum Jahr 2050 zu leisten.

Das Konsortium: Eine starke Partnerschaft

Das interdisziplinäre Konsortium hinter SUNGATE vereint führende Institutionen und Unternehmen aus sechs EU-Ländern und der Türkei. Neben dem Fraunhofer IME sind weitere namhafte Partner wie die Universität Ulm, das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM, und die Universität Warschau beteiligt.

Mit einem Gesamtbudget von rund 4,9 Millionen Euro wird das SUNGATE-Projekt durch das Horizon Europe Programm der Europäischen Union gefördert. Diese finanzielle Unterstützung ermöglicht es dem Konsortium, die Forschung und Entwicklung voranzutreiben und die Technologie bis zum Abschluss des Projekts im September 2027 zur Marktreife zu bringen.