Die Forschungsanlage steht auf dem Dach des ETH-Gebäudes an der Sonneggstrasse.
Copyright: ETH Zürich / Alessandro Della Bella
Zürich (Schweiz) – Schweizer Wissenschaftler haben die Technologie entwickelt, die aus Sonnenlicht und Luft flüssige und zudem kilmaneutrale Treibstoffe erzeugt. Damit demonstrieren die Forscher weltweit erstmals die gesamte thermochemische Prozesskette unter realen Bedingungen.
CO2-neutrale Treibstoffe sind besonders für eine nachhaltigere Luft- und Schifffahrt von zentraler Bedeutung. Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich haben eine solare Anlage gebaut, mit der sich synthetische flüssige Treibstoffe herstellen lassen, die bei der Verbrennung nur so viel CO2 freisetzen, wie zuvor der Luft entnommen wurde: „CO2 und Wasser werden direkt aus der Umgebungsluft abgeschieden und mit Solarenergie aufgespalten“ berichtet das Team um Aldo Steinfeld, Professor für Erneuerbare Energieträger. Das Produkt dieses Vorganges ist sogenanntes Syngas – eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das anschließend zu Kerosin, Methanol oder anderen Kohlenwasserstoffen verarbeitet wird, die dann „direkt in der bestehenden globalen Transportinfrastruktur verwendet werden“ können.
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„Mit dieser Anlage beweisen wir, dass die Herstellung von nachhaltigem Treibstoff aus Sonnenlicht und Luft auch unter realen Bedingungen funktioniert», erklärt Steinfeld und führt zu den Besonderheiten der Anlage weiter aus: „Das thermochemische Verfahren nutzt das gesamte Sonnenspektrum und läuft bei hohen Temperaturen ab. Dies ermöglicht schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten und einen hohen Wirkungsgrad.“
Die Forschungsanlage steht mitten in Zürich und dient der ETH Zürich dazu, die Forschung an nachhaltigen Treibstoffen vor Ort voranzutreiben.
Die solare Mini-Raffinerie auf dem Dach der ETH beweist dabei die Umsetzbarkeit der Technologie – selbst unter den klimatischen gemäßigten Verhältnissen in Zürich – und produziert rund einen Deziliter Treibstoff pro Tag.
Schon jetzt sind Steinfeld und seine Gruppe daran, den Solarreaktor im großen Maßstab im Rahmen des EU-Projekts „Sun-To-Liquid“ in der Nähe von Madrid zu testen Zeitgleich mit der Zürcher Mini-Raffinerie wird die Madrider Solarturm-Anlage heute der Öffentlichkeit präsentiert.
Hintergrund: So funktioniert die neue solare Mini-Raffinerie
Die Prozesskette der neuen Anlage integriert drei thermochemische Umwandlungsprozesse: Erstens die Abscheidung von CO2 und Wasser aus der Luft, zweitens die solar-thermochemische Spaltung von CO2 und Wasser und drittens die anschließende Verflüssigung in Kohlenwasserstoffe. Durch einen Adsorption-Desorption-Prozess werden CO2 und Wasser direkt aus der Umgebungsluft entnommen. Beides wird dem Solarreaktor im Fokus eines Parabolspiegels zugeführt. Die Solarstrahlung wird durch den Parabolspiegel 3000-mal konzertiert, im Innern des Reaktors eingefangen und in Prozesswärme mit einer Temperatur von 1500 Grad Celsius umgewandelt. Im Herzen des Reaktors befindet sich eine spezielle keramische Struktur aus Ceriumoxid. Dort werden in einer zweistufigen Reaktion – dem sogenannten Redox-Zyklus – Wasser und CO2 gespalten und Syngas hergestellt. Die Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid kann mittels konventioneller Methanol- oder Fischer-Tropsch-Synthese in flüssige Treibstoffe weiterverarbeitet werden. (Quelle: ETH Zürich)
Im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen kann SUN-to-LIQUID die CO2-Emissionen um mehr als 90 Prozent reduzieren. Da sich die solare Kraftstoffproduktion am besten für Wüstenstandorte eignet, bestehe zudem keine Konkurrenz um landwirtschaftliche oder ökologische Nutzflächen. Den Rohstoff CO2 soll die Anlage langfristig aus der Atmosphäre gewinnen. Die zukünftige globale Kerosinnachfrage könne somit durch regenerative solare Kraftstoffe gedeckt werden, die mit der bestehenden Kraftstoffinfrastruktur kompatibel sind, so die Forscher.
Das nächste Ziel ist, die Technologie auf industrielle Größe zu skalieren und so Wettbewerbsfähigkeit zu erreichen: „Eine Solaranlage von einem Quadratkilometer Fläche könnte pro Tag 20.000 Liter Kerosin produzieren.“ (Zum Vergleich: Während die Lufthansa für ihren Kernbereich einen Treibstoffverbrauch von 5,2 Litern Kerosin pro 100 Passagierkilometer ausweist, sind es für die Lufthansa-City-Line, die vorwiegend Kurzstreckenverkehr mit kleinerem Fluggerät – etwa einem AVRO RJ 45, Canadair RJ – schon 10,4 Liter je 100 Passagierkilometer. Hingegen hat ein mit 4 Personen besetzter Mittelklasse-PKW einen Kraftstoff-Verbrauch von rund 2 Liter je 100 Passagierkilometer. Quelle) Theoretisch könnte also man mit einer Anlage auf der Fläche der Schweiz oder eines Drittels der Mojave-Wüste in Kalifornien den Kerosin-Bedarf der gesamten Luftfahrt decken, so die Wissenschaftler.
„Ziel ist, dass wir in Zukunft mit unserer Technologie effizient nachhaltige Treibstoffe produzieren und so zur Verringerung des weltweiten CO2-Ausstosses beitragen“, sagt Philipp Furler, Direktor (CTO) von Synhelion und ehemaliger Doktorand in Steinfelds Gruppe
Aus der Forschungsgruppe von Aldo Steinfeld sind schon jetzt zwei Spin-offs hervorgegangen: Synhelion entstand 2016 und arbeitet daran, die Technologie zur Herstellung von Solartreibstoffen auf den Markt zu bringen. Climeworks wurde bereits 2010 gegründet und kommerzialisiert die Technologie zur Abscheidung von CO2 direkt aus der Luft.
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