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Wegbereiter für eine solare Energierevolution

Spanische und amerikanische Forschende ermitteln ein Material, das Sonnenenergie zu jeder Tages- und Nachtzeit verfügbar machen könnte.

Energie

Eine Gruppe von spanischen und amerikanischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern glaubt, ein Material gefunden zu haben, mit dem Sonnenenergie in Zukunft zu jeder Tages- und Nachtzeit und zu geringeren Kosten als denen der elektrischen Batterietechnologie verfügbar sein könnte. Mit Unterstützung eines Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiums untersuchte die Wissenschaftlerin Emanuela Mastronardo 24 Perowskite, Materialien mit derselben Kristallstruktur wie mineralisches Kalzium-Titanoxid. Nachdem sie einen davon als besten Kandidaten für die Speicherung von Sonnenenergie bei hohen Temperaturen gewählt hatte, führte sie erfolgreiche Reaktortests im Labormaßstab an diesem durch. „Die Ergebnisse sind unglaublich ermutigend“, sagt Mastronardo, die während des SESPer-Projekts von Juan M. Coronado am Nationalen Forschungsrat Spaniens betreut wurde. Sie hat eine wissenschaftliche Publikation im ‚Journal of Materials Chemistry A‘ mitverfasst, um ihre Ergebnisse zu veröffentlichen. Mastronardo entschied sich, den Schwerpunkt auf Perowskite zu legen, weil sie der Meinung ist, dass sie der Schlüssel zu einer neuen Generation von konzentrierenden Solarkraftwerken sind, die Wärme effizienter in Strom umwandeln und Energie bei Bedarf speichern und liefern, wenn die Sonne gerade nicht scheint, indem sie Wärmespeicher einsetzen. „Wir haben überzeugende Argumente für den Bau von Hochtemperatur-Wärmespeichern“, erklärt sie. „Perowskite sind aufgrund ihrer thermischen Stabilität und ihres schnellen Reaktionsverhaltens ideal für den Betrieb unter den Bedingungen dieser zukünftigen Anlagen geeignet.“

Probenahme aus der Erdkruste

Bisher konzentrierte sich die Forschung zu den Perowskit-Typen auf solche, die seltene Erden enthalten, was sie zu teuren Kandidaten für den Einsatz im größeren Maßstab macht. Deshalb wählten Mastronardo und ein fünfköpfiges Forschungsteam Elemente, die in der Erdkruste reichlich vorhanden sind, und fanden eine Kombination aus Kalzium, Eisen und Mangan als geeignet. Die Forschenden maßen deren Wärmespeicherkapazität mit 500 mg und führten dann Reaktortests mit etwa 50 g des Materials durch. „Die Reaktortests im Labormaßstab waren sehr erfolgreich“, sagt Coronado. „Das Material zeigte im Gramm-Maßstab in einem realistischeren Reaktor die gleiche Wärmespeicherkapazität wie in den ersten Versuchen zur Bestimmung der thermodynamischen Eigenschaften in einem viel kleineren Maßstab.“ „Das ist sehr vielversprechend für den zukünftigen Bau und die Entwicklung von Solarkraftwerken“, fügt er hinzu.

Die Leistungsfähigkeit thermochemischer Speicherung

EU-Finanzmittel ermöglichten es dem CSIC-Team von Fachleuten für die thermochemische Wärmespeicherung, mit Solaringenieurinnen und -ingenieuren des IMDEA Energy Instituts, Spanien, und der Northwestern University, Vereinigte Staaten von Amerika, zusammenzuarbeiten, die das zusätzliche Fachwissen und die Ausrüstung für die Entwicklung der Perowskite beisteuerten. Der nächste Schritt für die kommerzielle Nutzung des identifizierten Perowskits in Solaranlagen wäre die weitere Untersuchung in realen Anwendungen mit Hunderten Gramm und dann Tonnen des Materials. Die Stabilität des Materials müsste getestet werden, um zu sehen, ob es mehr als 1 000 Zyklen standhält, nachdem es während des SESPer-Projekts 80 Stunden standgehalten hat. Mastronardo und Coronado sind jedoch bereits optimistisch, dass das Material das Potenzial hat, viel leistungsfähigere Systeme für die thermochemische Wärmespeicherung auf den Markt zu bringen und damit den Energiesektor zu revolutionieren. „Wir erwarten, dass diese Technologie innerhalb des nächsten Jahrzehnts auf den Markt kommt“, fügt Coronado hinzu. „Systeme für thermochemische Wärmespeicherung würden einen großen Beitrag zu Europas Umweltzielen leisten, indem sie Solarstrom jederzeit und zu geringeren Kosten als denen der elektrischen Batterietechnologie verfügbar machen könnten.“

Schlüsselbegriffe

SESPer, Thermische Energiespeichersysteme, konzentrierende Solarkraftwerke, Perowskite, Energie auf Abruf

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