Ziele für nachhaltige Entwicklung

Veröffentlichungsdatum : 09 October 2024

Verfasst von : Shweta Singh

Wird künstliche Photosynthese

Den steigenden Kraftstoffbedarf decken?

Die Ölnachfrage wächst stetig, und aufgrund des steigenden Energiebedarfs ist ein Rückgang des Ölverbrauchs kaum zu erwarten. Trotz des steigenden Ölbedarfs beeinflussen verschiedene Faktoren wie der Ölpreis und die zunehmende Ölverschmutzung die Nutzung. Darüber hinaus haben geopolitische Ereignisse die Ölversorgung beeinträchtigt. So hat beispielsweise der Krieg Russlands in der Ukraine zu einer veränderten Ölnachfrage geführt. Um diesen Bedarf zu decken, werden alternative Lösungen immer wichtiger. Daher hat die Präferenz für konventionelle fossile Brennstoffe in den letzten Jahren zugenommen, und aufgrund der zunehmenden Erschöpfung natürlicher Ressourcen werden verstärkt Alternativen erforscht. Jährlich werden fast 87 Milliarden Einheiten natürlicher Ressourcen verbraucht. Unter den verschiedenen Alternativen ist die künstliche Photosynthese eine der neuesten Forschungsmethoden.

Wie erzeugt künstliche Photosynthese Öl?

Durch künstliche Photosynthese ist es einem Wissenschaftler gelungen, aus Wasser, Kohlendioxid und Sonnenlicht Erdöl herzustellen. Forscher können Systeme entwickeln, die diese natürlichen Ressourcen nutzen, um Sonnenenergie in chemische Energie umzuwandeln und diese in Treibstoffbindungen einzulagern. Künstliche Photosynthese erzeugt verschiedene Treibstoffe, darunter Kohlenwasserstoffe wie Methanol (CH₃OH), Ameisensäure (HCOOH), Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH₄) sowie reinen Wasserstoff. Die in diesem Prozess verwendeten Geräte sind photoelektrochemische Zellen oder photovoltaisch gekoppelte Elektrolyseure.

den Prozess im Detail verstehen

• 1. Der erste wichtige Prozessschritt ist die Spaltung von Wasser in Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff mithilfe von Sonnenlicht und einem Photokatalysator, der dabei eine entscheidende Rolle spielt. Ohne Stromzufuhr wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, indem Licht auf einen Katalysator in Form einer Folie fokussiert wird, die in Wasser eingetaucht ist. Durch die Nutzung von Solarenergie entsteht bei diesem Verfahren kein CO₂.
• 2. Um den Wasserstoff aus dem freigesetzten Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch zu trennen, wird eine Trennmembran verwendet. Die sichere und ordnungsgemäße Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff ist unerlässlich, da die Verbindung dieser beiden Gase explosiv ist.

Eine Anwendung, bei der Kraftstoff erzeugt wird durch

künstliche Photosynthese könnte genutzt werden

• Transportwesen – Die Nachfrage nach batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen steigt in letzter Zeit stark an. Batterien sind jedoch deutlich schwerer als Kraftstofftanks und benötigen viel Platz. Daher war eine Lösung erforderlich, die weder Kraftstoff ersetzt noch zur globalen Erwärmung beiträgt. Aus diesem Grund gewinnt die Forschung im Bereich der künstlichen Photosynthese zunehmend an Bedeutung.
• Stromerzeugung – Zwischen 2010 und 2021 stieg der weltweite Strombedarf um etwa 380 TWh. Im ersten Halbjahr 2022 erreichte er rund 13.390 TWh, verglichen mit etwa 13.000 TWh im gleichen Zeitraum 2021. Wasserstoff, der durch künstliche Photosynthese erzeugt wird, könnte zur Stromerzeugung genutzt werden. Für größere Projekte ist dies jedoch noch nicht möglich. Studien zeigen aber, dass er mit weiteren Verbesserungen in der Technologie schon bald den Strombedarf der Bevölkerung decken könnte. Darüber hinaus wird die Nutzung künstlicher Photosynthese zur Kunststoffproduktion erforscht. Es wird erwartet, dass synthetische Kunststoffe vollständig durch erneuerbare Alternativen ersetzt werden. Verschiedene Geräte mit Kunststoffbeschichtungen, wie Mobiltelefone, Laptops, medizinische Instrumente und vieles mehr, könnten durch erneuerbare Kunststoffe ersetzt werden.

Unterschied zwischen Natürlich

Photosynthese und künstliche Photosynthese

Im Gegensatz zur natürlichen Photosynthese, die aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid Glucose und Sauerstoff erzeugt, beruht die künstliche Photosynthese auf der Speicherung von Sonnenenergie in den chemischen Bindungen des Solarbrennstoffs. Folglich entsprechen die drei Hauptprozesse der künstlichen Photosynthese denen der natürlichen Photosynthese: Lichtabsorption zur Erreichung eines angeregten Zustands, Entwicklung, Ladungstrennung und chemische Umwandlung zur Brennstofferzeugung.

Welche Regionen spielen mehr?

Schwerpunkt auf künstlicher Photosynthese?

Die Region Asien-Pazifik hat einen hohen Ölbedarf, was zu einer starken Umweltverschmutzung durch fossile Brennstoffe führt. So stieg der Ölverbrauch in der Region Asien-Pazifik von rund 30 Millionen Barrel pro Tag im Jahr 2012 auf fast 36 Millionen Barrel pro Tag im Jahr 2021. Daher wurden in dieser Region verschiedene Initiativen gestartet, um die Anwendung künstlicher Photosynthese zu fördern. Japan legte 2022 den Grundstein für einen weiteren großen Test, bei dem künstliche Photosynthese zum Einsatz kommen soll – eine aufstrebende Technologie, die das Potenzial hat, die Bemühungen zur globalen Reduzierung von Kohlenstoffemissionen zu revolutionieren. Die von der japanischen Regierung finanzierte Initiative, die die Technologie im Jahr 2030 testen soll, wird von der Universität Tokio in Zusammenarbeit mit Unternehmen wie Mitsubishi Chemical und Toyota Motor sowie Forschungseinrichtungen durchgeführt. Durch die Zustimmung von Chemieunternehmen zu dem Verfahren soll es bis 2040 kommerzialisiert werden. Darüber hinaus erklärte das US-Energieministerium (DOE) im Jahr 2020, dass es zur Verbesserung der künstlichen Photosynthese – dem Prozess, bei dem aus Sonnenlicht Kraftstoffe hergestellt werden – über fünf Jahre 100 Millionen US-Dollar für zwei neue Projekte bereitstellen werde.

Marktausblick für künstliche Photosynthese

Der Sektor der künstlichen Photosynthese wird bis Ende 2035 voraussichtlich den größten Umsatz von 258 Millionen US-Dollar generieren. Dieser Umsatz lag 2022 bei etwa 68 Millionen US-Dollar. Für den Prognosezeitraum 2023–2035 wird ein Wachstum von etwa 17 % CAGR erwartet.

Weiterführende Informationen zur künstlichen Photosynthese

Da die derzeitigen künstlichen Photosyntheseverfahren deutlich weniger effektiv sind als der natürliche Prozess, werden Verbesserungen angestrebt. Die Tatsache, dass molekulare Nanopartikel der künstlichen Photosynthese kostengünstiger, leichter und umweltfreundlicher als die aktuelle Solarzellentechnologie sind, ist einer der Faktoren, die die Weiterentwicklung dieser Technologie vorantreiben. Um die Abhängigkeit von bestehenden Energiequellen zu verringern, wird ein Anstieg der künstlichen Photosynthese erwartet. Zudem kann diese Methode den Klimawandel abmildern, da sie Kohlendioxid aufnimmt und Sauerstoff produziert. Darüber hinaus kann der durch künstliche Photosynthese erzeugte Wasserstoff als Treibstoff für modifizierte Verbrennungsmotoren oder als Brennstoffzelle in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Außerdem kann er als nicht-fossiler chemischer Rohstoff zur Ammoniakherstellung genutzt werden, einem essentiellen Bestandteil der Lebensmittelproduktion.

Abschluss

Künstliche Photosynthese soll den Energiebedarf decken. Da der Energiebedarf der Bevölkerung jedoch stetig wächst und unbegrenzt ist, wird künstliche Photosynthese bei weiter steigendem Bedarf nicht ausreichen, um die benötigte Energie zu liefern, da sich das Energieverhältnis jährlich ändert. Dieses Verfahren ist neu und wird noch erforscht. Daher könnte die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bestehen bleiben, und alternative Verfahren könnten die Entwicklung hemmen. Staatliche Initiativen könnten die Forschungsaktivitäten jedoch fördern. Dank technologischer Fortschritte und Forschungsergebnissen haben Chemiker zudem eine zehnmal effizientere künstliche Photosynthese entwickelt als bestehende Systeme.