Genetisch veränderte Algen als Zukunft der Bio-Solar-Zellen

Neben der synthetischen Photovoltaik etablierten sich biologische Solarzellen in den vergangenen Jahren als umweltfreundlicher und kostengünstiger Ansatz zur Gewinnung von Sonnenenergie zur Umwandlung in Elektrizität. Die neu entwickelte Brennstoffzelle, die in der Fachzeitschrift Nature Energy vorgestellt wurde, ist fünfmal effizienter, günstiger sowie praktischer in der Anwendung als bisherige Versuche mit Algen. Bio-Photovoltaik-Brennstoffzellen nutzen PV-Eigenschaften von Mikroorganismen wie Algen, um Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln. Algen produzieren während der Fotosynthese Elektronen. Einige von ihnen werden nach außen exportiert, wo sie Elektrizität für die Stromversorgung von Elektrogeräten erzeugen.  „Die Erzeugung von Elektronen und deren Nutzung als Elektrizität haben oft widersprüchliche Anforderungen“, erklärt Chemikerin Kadi Liis Saar von der University of Cambridge und ergänzt: „Die Ladeeinheit muss beispielsweise dem Sonnenlicht ausgesetzt werden, um so eine effiziente Ladung zu ermöglichen. Dagegen benötigt die Stromerzeugung keine Lichteinwirkung. Bei diesem Prozess gilt es, Elektronenverluste zu vermeiden.“

Mehr Effizienz durch Zwei-Kammer-Bio-PV-System

Bei der Bio-Photovoltaik fanden bisher sowohl die Ladung, Lichtsammlung und Elektronenerzeugung als auch die Leistungsabgabe sowie die Übertragung auf den Stromkreis in einer einzigen Kammer statt. Die Forscher der Cambridge-Universität entschieden sich für ein Zwei-Kammer-Bio-PV-System, bei dem die beiden Kernprozesse getrennt werden. In der ersten Kammer erzeugen Sonnenstrahlen Elektronen, in der Zweiten werden diese in Strom umgewandelt. Dieser Aufbau erlaubt es, beide Prozesse zu optimieren und dadurch gleichzeitig die Ausbeute zu erhöhen. „In Miniaturskalen verhalten sich Flüssigkeiten sehr unterschiedlich, was es uns ermöglicht, Zellen zu konstruieren, die effizienter sind, mit geringerem Innenwiderstand und geringeren elektrischen Verlusten“, erklärt Professor Tuomas Knowles.

Mutierte Algen erzeugen und speichern Strom

Die Wissenschaftler verwenden genetisch veränderte Algen. Ihre mutierten Zellen können, die Menge an elektrischer Ladung minimieren, die während der Fotosynthese nicht produktiv abgebaut wird. Diese genetische Veränderung der Algen sowie das neue Design führten zu einer Bio-PV-Zelle mit einer Leistungsdichte von 0,5 Watt pro Quadratmeter – fünfmal mehr als bei vergleichbaren Konstruktionen. Verglichen mit Silizium-Solarzellen ist die Energieausbeute zwar verschwindend gering, aber die neuartigen Zellen haben dafür andere attraktive Eigenschaften. Algen wachsen und teilen sich auf natürliche Weise. Dadurch würden Systeme, die auf diesen Algen basieren, weniger Energieaufwand erfordern und könnten dezentral produziert werden, so die britischen Forscher. Die Trennung der Komponenten Energieerzeugung und -speicherung bringt noch weitere Vorteile mit sich. Die Ladung muss nicht sofort verbraucht, sondern kann gespeichert werden.. Die bei Tageslicht erzeugte Ladung ist in der Nacht nutzbar.

Versorgung ländlicher Regionen in Entwicklungsländern

Die Forscher gehen nicht davon aus, dass mit Algen betriebene Brennstoffzellen genug Elektrizität erzeugen können, um ein modernes Stromnetz aufrecht zu erhalten. Vielmehr seien sie zur Versorgung ländlicher Regionen in Entwicklungsländern geeignet, wo zwar Sonnenlicht aber kein Stromnetz vorhanden ist. Während synthetische Photovoltaik auf Halbleiterbasis in der Regel in Anlagen produziert wird, die weit entfernt von ihrem Einsatzort liegen, könnte die Produktion von Bio-PV direkt von der lokalen Bevölkerung durchgeführt werden, so die Forscher.