Die Nanotechnologie bildet die Brücke zwischen der mikroskopischen Fertigungstechnik und der Chemie. Nanostrukturen zeigen elektronische und strukturelle Eigenschaften, welche man in makroskopischen Materialien nicht findet. Der Materialaufwand pro Funktionseinheit fällt dadurch viel geringer aus, und die Diffusionswege sind kurz. «Mit Nanostrukturen werden Energiesysteme möglich, die noch vor wenigen Jahren undenkbar schienen», erläutert Prof. Dr. Andreas Züttel, Abteilungsleiter EMPA Material Sciences & Technology. In der Energiespeicherung erlauben Dünnschicht-Elektroden ein sehr viel schnelleres Beladen von Li-Ionen-Batterien. Suspensionen von Nanoteilchen in Elektrolyten ermöglichen neuartige Batterietypen mit flüssigen Elektroden, welche betankbar sind. «Heutige Batterien weisen eine Energiedichte von max. 0,2 kWh/kg auf, also etwa fünfzigmal kleiner als die Energiedichte der Kohlenwasserstoffe (13 kWh/kg)», berichtet Prof. Züttel. Aufgrund des heutigen Wissens könnte die Energiedichte in neuen Batteriesystemen theoretisch auf ca. 1 kWh/kg gesteigert werden. Dies beschränkt die möglichen Anwendungen auf Kleingeräte und dezentrale Energiesysteme. Mit zunehmender Energiedichte wird der Materialeinsatz zur Energiespeicherung kleiner, was auch zur Schonung der Ressourcen beiträgt.

Dünnschicht-Elektroden laden Li-Ionen-Batterien
Doch welche Rolle spielen künftig Photovoltaik-Technologien, thermoelektrische Wandler und die photokatalytische Spaltung zur Produktion von Wasserstoff? «Die Photovoltaik wird durch neue Verfahren und hoch entwickelte Materialien Ressourcen schonender und ökonomischer. Wenn man bedenkt, dass die zehnfache Fläche der Schweiz, also etwa 400 000 km2, ausreichen würde, um den Welt-Energiebedarf mit Photovoltaik zu decken, hat diese Technologie zur Energiewandlung ein gros­ses Potenzial», betont Prof. Züttel. Thermoelektrische Wandler kämen dagegen vor allem bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen die Effizienz der Energiewandlung zweitrangig sei oder nur Wärme zur Verfügung stehe. Ihr Beitrag zur globalen Energieversorgung dürfte nach der Einschätzung von Experten relativ gering sein.

Grosses Potential für die ­Photovoltaik-Technik
Für wissenschaftlich sehr interessant hält Prof. Züttel die photokatalytische Wasserspaltung, die dem ersten Schritt in der Photosynthese nahe kommt: «Diese hat den Vorteil, alle Prozesse in einem System zu vereinigen: die Absorption der Photonen, die Energieübertragung und die Wasserspaltung.» Nachteilig kann sich auswirken, dass sich die einzelnen Prozesse nicht unabhängig voneinander optimieren lassen. «Zudem hat man angeregte Moleküle in einer reaktiven Umgebung, was zur Degradation durch Nebenreaktionen führt. Die Pflanzen haben ein ähnliches Problem. Sie lösen es dadurch, dass sie im Herbst ihre Blätter verlieren und im Frühjahr neue bilden.»

Schweiz muss neue Technologien schneller entwickeln
Wie sich die Schweiz im internationalen Cleantech-Wettbewerb positionieren kann, ist eine Frage, die momentan gleichermassen Politiker, Forscher und Unternehmer umtreibt. Schliesslich verfügt das Land abgesehen von der Wasserkraft kaum über eigene Ressourcen und ist darauf angewiesen, Energieträger zu importieren. Dennoch sieht Prof. Züttel Chancen, «Technologie zur Energiewandlung und Energiespeicherung in der Schweiz zu entwickeln, zu exportieren und so einen Hightech-­Industriezweig mit einem enormen Marktvolumen aufzubauen». Allerdings müsse man neue Technologien stärker fördern und schneller umsetzen, um nicht von der Entwicklungsdynamik im fernen Osten überholt zu werden, mahnt der Wissenschaftler. «Die Wirtschaft sollte das gute und offene Verhältnis mit den Hochschulen und Forschungsinstitutionen nutzen, um vermehrt gemeinsame Projekte zu ermöglichen.»