Wasser plus CO2 plus Sonnenlicht ergibt Treibstoff

4. Jänner 2011, 15:27
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Schweizer Forscher entwickeln Solar-Reaktor, um damit aus H2O und Kohlendioxid Syngas herzustellen

Einem Schweizer Forschungsteam ist es gelungen, mit Solarenergie aus Wasser und Kohlendioxid Treibstoffvorstufen zu herzustellen. Dazu haben die Wissenschafter 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. Die entscheidende Frage ist also: 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? Eine Möglichkeit wäre, Sonnenlicht in chemische Energieträger umgewandelt, und zwar in Form von flüssigen Treibstoffen, die über lange Zeit gespeichert und über weite Distanzen verlustfrei transportiert werden können.

Neuartiger Solar-Reaktor

Ein Forschungsteam um Aldo Steinfeld von der ETH Zürich hat es geschafft, ein solches Verfahren zu entwickeln. In einem völlig neuen Prozess wird dabei Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) in ein Gemisch von Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) umgewandelt. Diese Kombination wird als Syngas bezeichnet und stellt eine Vorstufe von Benzin, Kerosin und anderen flüssigen Treibstoffen dar. Gemeinsam mit Kollegen des California Institute of Technology (Caltech) stellen die ETH- und PSI-Forscher den neuen Solar-Reaktor sowie die experimentellen Resultate in der Fachzeitschrift Science vor.

Die zugrundeliegende Idee besteht darin, Wasser und CO2 in einem zweistufigen Verfahren mit Hilfe von Sonnenenergie aufzuspalten. In einem ersten Schritt lenken die Wissenschafter konzentriertes Sonnenlicht durch eine mit einem Quarzglas abgedichtete Blendenöffnung in den Solar-Reaktor. In dessen Hohlraum befindet sich ein Zylinder aus Ceriumoxid, der bei einer Temperatur von 1500°C reduziert wird. Dabei gibt das Material Sauerstoffatome aus der Struktur ab.

Im zweiten Schritt lässt man das reduzierte Ceriumoxid bei etwa 900°C mit Wasserdampf und CO2 reagieren; dabei werden die Wasser- und CO2-Moleküle aufgebrochen. Die dabei freiwerdenden Sauerstoffatome werden in die Materialstruktur integriert, sodass das Ceriumoxid wieder in der Ausgangsform vorliegt und der Kreisprozess erneut gestartet werden kann. Übrig bleibt reines Syngas aus H2 und CO.

Hohe Wirkungsgrade

Die Wissenschafter testeten ihren Reaktor-Prototyp am Hochfluss-Solarsimulator des Paul Scherrer Instituts. Dabei verwendeten sie eine Strahlungsintensität, die der Kraft von 1.500 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 Steinfeld und betont: "Die Resultate, die wir in Science veröffentlichen, belegen die Machbarkeit von solarbetriebenen thermochemischen Verfahren zur Herstellung von Treibstoff aus Kohlendioxid und Wasser."

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". (red)

  • Schematische Darstellung des Solar-Reaktors: Im Inneren eines Hohlraums befindet sich ein poröser Ceriumoxid-Zylinder, auf den konzentrierte Sonnenstrahlung durch eine mit einem Quarzglas abgedichtete Blendenöffnung trifft. Reaktionsgase strömen über das poröse Ceriumoxid, während die Produktgase den Hohlraum durch ein Auslassrohr verlassen. Rote Pfeile bezeichnen die Reduktion von Ceriumoxids (Sauerstoffabgabe); blaue Pfeile bezeichnen die Oxidation (Herstellung des Treibstoffs). Links zusehen ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des porösen Ceriumoxids nach 23 Zyklen.
    foto: eth zürich

    Schematische Darstellung des Solar-Reaktors: Im Inneren eines Hohlraums befindet sich ein poröser Ceriumoxid-Zylinder, auf den konzentrierte Sonnenstrahlung durch eine mit einem Quarzglas abgedichtete Blendenöffnung trifft. Reaktionsgase strömen über das poröse Ceriumoxid, während die Produktgase den Hohlraum durch ein Auslassrohr verlassen. Rote Pfeile bezeichnen die Reduktion von Ceriumoxids (Sauerstoffabgabe); blaue Pfeile bezeichnen die Oxidation (Herstellung des Treibstoffs). Links zusehen ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des porösen Ceriumoxids nach 23 Zyklen.

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