Benzin aus Wasser, CO2 und Sonnenlicht

Benzin aus Wasser, CO2 und Sonnenlicht

Einem Forschungsteam ist es gelungen, mit Solarenergie aus Wasser und Kohlendioxid Treibstoff zu erzeugen. Dazu haben die Wissenschaftler/innen einen Solar-Reaktor entwickelt, in dem konzentrierte Sonnenstrahlung das dafür nötige stabile und schnelle thermochemische Verfahren antreibt.

Sonnenenergie ist sauber und steht unbegrenzt zur Verfügung; sie ist aber nicht dauernd verfügbar sowie ungleichmässig über die Erdoberflache verteilt. Weltweit stellen sich Wissenschaftler deshalb die Frage: Wie kann man Sonnenenergie speichern, um diese von den sonnigsten Flecken der Erde in die industrialisierten Zentren zu transportieren, wo die meiste Energie benötigt wird? Diese Frage motiviert Forscher nach Rezepten zu suchen, wie Sonnenlicht in chemische Energieträger umgewandelt werden kann, und zwar in Form von flüssigen Treibstoffen, die über lange Zeit gespeichert und über weite Distanzen transportiert werden können - Treibstoffe notabene, die nicht nur Autos, Schiffe und Flugzeuge antreiben, sondern die gesamte nach Öl lechzende Weltwirtschaft nachhaltig versorgen können.

Neuartiger Solar-Reaktor gebaut

Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) kann grundsätzlich umgewandelt werden in ein Gemisch von Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO). Diese Kombination wird als Syngas bezeichnet und stellt eine Vorstufe von Benzin, Kerosin und anderen flüssigen Treibstoffen dar. Dass diese Aufspaltung in Syngas möglich ist, ist seit längerem bekannt, allerdings fehlte es an einer wirksamen Technik.

Einem Forschungsteam um Aldo Steinfeld ist es nun gelungen, ein solches Rezept inklusive "Kochtopf" - sprich Solar-Reaktor - zu entwickeln. Die zugrundeliegende Idee des radikal neuen Prozesses besteht darin, Wasser und CO2 in einem zweistufigen Verfahren mit Hilfe von Sonnenenergie aufzuspalten. In einem ersten Schritt lenken die Forschenden konzentriertes Sonnenlicht durch eine mit einem Quarzglas abgedichtete Blendenöffnung in den Solar-Reaktor. In dessen Hohlraum befindet sich ein Zylinder aus dem Material Ceriumoxid, dem bei einer Temperatur von 1500°C Sauerstoffatome entnommen werden: Unter dieser Temparatur gibt das Material Sauerstoffatome aus der Struktur ab. Dieser Sauerstoff wird aus dem Zylinder entfernt. In einem zweiten Schritt kühlt man den Zylinder ab und lässt das sauerstoffarme Ceriumoxid bei etwa 900°C mit Wasserdampf und CO2 reagieren. Das sauerstoffarme Ceriumoxid entreisst nun dem Wasserdampf und dem CO2 Sauerstoffatome, um wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückzugelangen. Dabei werden die Wasser- und CO2-Moleküle aufgebrochen, und es entsteht H2 und CO, also reines Syngas. Das Ceriumoxid liegt wieder in der Ausgangsform vor, und der Kreisprozess kann erneut gestartet werden.

Mit der Kraft von 1500 Sonnen

Die Wissenschaftler/innen testeten ihren Reaktor-Prototyp am Hochfluss-Solarsimulator des PSI. Dabei verwendeten sie eine Strahlungsintensität, die der Kraft von 1500 Sonnen entspricht. Der Umwandlungwirkungsgrad von Sonnenenergie in Treibstoff betrug dabei 0,8 Prozent. Dieser Wert ergibt sich aus dem Brennwert des produzierten Syngas geteilt durch den Input an Strahlungsenergie. «Diese Wirkungsgrade sind um zwei Grössenordnungen höher als diejenigen, die man mit herkömmlichen photokatalytischen Methoden zur CO2-Spaltung erzielt hat», erklärt Aldo Steinfeld. Er betont, dass die Resultate die Machbarkeit von solarbetriebenen thermochemischen Verfahren zur Herstellung von Treibstoff aus Kohlendioxid und Wasser belegen.

Zurzeit sind Steinfeld und seine Gruppe daran, den Solar-Reaktor so zu optimieren, dass er auch in grossem Massstab - im Megawatt-Bereich - in Solarturm-Anlagen eingesetzt werden kann. Solche Anlagen sind bereits kommerziell zur Stromerzeugung im Einsatz. Steinfeld glaubt, dass noch grosse Anstrengungen nötig sind, bevor seine Solarreaktortechnologie in der Praxis eingesetzt wird. «2020 sollten wir aber soweit sein, dass die erste industrielle Solartreibstoff-Anlage in Betrieb gehen und einen zentralen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung der Zukunft leisten kann».

CW

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