Sonnen-Sprit – Wie sich Sonnenenergie in Treibstoff umwandeln lässt

Die Energie der Sonne wird schon heute in verschiedenen Formen genutzt: Während Photovoltaik-Zellen das Licht der Sonne in elektrischen Strom umwandeln, nutzen solarthermische Anlagen die enorme Wärmeenergie der Sonnenstrahlen, um beispielsweise eine Flüssigkeit zu erhitzen. In grossem Massstab wird dieser zweite Ansatz in Solarkraftwerken umgesetzt: Hier fokussieren tausende von Spiegeln die Sonnenstrahlen auf einen Wärmeabsorber, in dem entweder direkt oder über einen Wärmetauscher bei mehr als 500 Grad Celsius Dampf erzeugt wird. Über Turbinen wird so Wärmeenergie in elektrischen Strom umgewandelt.

Eine Alternative dazu haben jetzt Forschende am Paul Scherrer Institut PSI und an der ETH Zürich gemeinsam entwickelt. Mit dem neuen Verfahren kann Sonnenwärme erstmals genutzt werden, um aus Kohlendioxid und Wasser direkt künstlichen Treibstoff herzustellen.

„Damit lässt sich die Sonnenenergie in Form chemischer Bindungen speichern“, erläutert Ivo Alxneit, Chemiker am Labor für Solartechnik des PSI. „Das ist einfacher als Strom zu speichern.“ Der neue Ansatz funktioniert nach einem ganz ähnlichen Prinzip wie das der Solarkraftwerke. Alxneit und seine Kollegen setzen Wärme ein, um bestimmte chemische Prozesse anzuregen, die erst bei sehr hohen Temperaturen von über 1000 Grad Celsius ablaufen. Für die benötigte Hitze kann eines Tages die Sonnenenergie genutzt werden.

Mit Sonnenwärme zum Treibstoff

Das Prinzip hinter Alxneits Forschung heisst thermo-chemischer Zyklus. In diesem Begriff stecken sowohl die chemische Umwandlung in einem Kreislaufprozess als auch die dafür benötigte Wärmeenergie – in Fachkreisen thermische Energie genannt. Bereits vor zehn Jahren haben Forschende gezeigt, dass sich auf diese Weise energiearme Stoffe wie Wasser und das Abfallgas Kohlendioxid in energiereichere Stoffe wie Wasserstoff und Kohlenmonoxid umwandeln lassen.

Das funktioniert in Gegenwart bestimmter Materialien wie Ceroxid, einer Verbindung des Metalls Cer mit Sauerstoff. Bei sehr hohen Temperaturen von rund 1500 Grad Celsius verliert das Ceroxid einige Sauerstoff-Atome. So vorbehandelt ist das Material bei niedrigeren Temperaturen begierig, wieder Sauerstoff-Atome an sich zu binden. Werden nun Wasser- und Kohlendioxid-Moleküle über eine derart aktivierte Oberfläche geleitet, geben sie Sauerstoff-Atome (chemisches Symbol: O) ab. Wasser (H2O) wird so zu Wasserstoff (H2) umgewandelt und Kohlendioxid (CO2) zu Kohlenmonoxid (CO), während sich zugleich das Ceroxid regeneriert. Für letzteres kann der Kreisprozess damit von vorne beginnen.

Aus dem entstandenen Wasserstoff und Kohlenmonoxid wiederum lassen sich Treibstoffe herstellen: konkret sind dies gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Benzin und Diesel. Die Treibstoffe lassen sich direkt nutzen, können aber auch in Tanks gespeichert oder ins Erdgasnetz eingespeist werden.

Bislang waren zwei Prozesse nötig

Bislang jedoch war für diese Herstellung der Treibstoffe ein zweiter, getrennter Prozess nötig: Die bereits 1925 entwickelte sogenannte Fischer-Tropsch-Synthese. Die Kombination von thermo-chemischem Zyklus und Fischer-Tropsch-Verfahren wurde kürzlich von dem europäischen Forschungskonsortium SOLAR-JET vorgeschlagen.

„Damit ist das Speicherproblem zwar im Prinzip gelöst. Allerdings ist der technische Aufwand einer Fischer-Tropsch-Synthese beträchtlich“, kritisiert Alxneit: Zusätzlich zur Solaranlage wäre eine weitere grosstechnische Anlage nötig.

Nun direkte Herstellung von Solar-Treibstoff

Mit dem neuen Ansatz von Ivo Alxneit und seinen Kollegen kann das Fischer-Tropsch-Verfahren und damit der zweite Schritt entfallen. Denn die Forschenden haben ein Material entwickelt, mit dem sich die Treibstoffe direkt im ersten Verfahrensschritt produzieren lassen. Hierfür haben sie dem Ceroxid kleine Mengen Rhodium zugefügt. Rhodium ist ein Katalysator, das heisst, es kann bestimmte chemische Reaktionen ermöglichen. Von Rhodium ist schon länger bekannt, dass es Reaktionen mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ermöglicht.

„Der Katalysator ist ein ganz zentraler Gegenstand der Forschung für die Herstellung dieser Solar-Treibstoffe“, sagt Alxneit. Und sein Doktorand Fangjian Lin am PSI betont: „Es war eine grosse Herausforderung, die extremen Reaktionsbedingungen zu beherrschen und ein Katalysator-Material zu entwickeln, das den Aktivierungsprozess bei 1500 Grad Celsius übersteht.“ Beispielsweise muss beim Abkühlen verhindert werden, dass die extrem kleinen Rhodium-Inseln an der Materialoberfläche größer werden oder verloren gehen, denn an ihnen müssen später die gewünschten Reaktionen stattfinden. Die schliesslich entstehenden Treibstoffe werden ihrem Verwendungszweck zugeführt und der zyklisch angelegte Prozess kann mit der Aktivierung des Ceroxids erneut beginnen.

In den Labors am PSI und an der ETH Zürich haben die Forschenden mit verschiedenen Standardmethoden zur Struktur- und Gasanalyse gemessen, wie das Ceroxid mit dem Rhodium zusammengesetzt ist, wie gut die Aktivierung, also das Austreiben von Sauerstoff, funktioniert und wie gut die Bildung von Methan gelingt. „Noch liefert unser kombinierter Prozess nur kleine Mengen an direkt verwertbaren Treibstoffen“, resümiert Alxneit. „Aber wir haben gezeigt, dass unsere Idee funktioniert. Sie ist hier der Schlüssel, denn davor war das alles nur Science Fiction.“

Tests im Hochleistungsofen bestanden

In ihren Experimenten nutzen die Forschenden der Einfachheit halber keine Sonnenenergie, um die Prozesse zu betreiben, sondern einen Hochleistungsofen der ETH Zürich. „Für die Tests ist es egal, woher die Wärmeenergie kommt“, erklärt Matthäus Rothensteiner, Doktorand am PSI und an der ETH Zürich und verantwortlich unter anderem für diese Tests.

Jeroen van Bokhoven, Leiter des Labors für Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI und Professor für heterogene Katalyse an der ETH Zürich ergänzt: „Dank dieser Tests haben wir wichtige Erkenntnisse über die Langzeitstabilität des Katalysators gewonnen. Mit unserem Hochleistungsofen konnten wir 59 Zyklen fahren und das besonders schnell. Einen ersten wichtigen Dauertest hat unser Material bereits problemlos bestanden.“ Nachdem sie die prinzipielle Machbarkeit ihres Verfahrens gezeigt haben, können sich die Forschenden nun seiner Optimierung widmen.

Text: Uta Deffke

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2000 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 370 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL

Originalveröffentlichung:
First demonstration of direct hydrocarbon fuel production from water and carbon dioxide by solar-driven thermochemical cycles using rhodium–ceria
Fangjian Lin, Matthäus Rothensteiner, Ivo Alxneit, Jeroen A. van Bokhoven and Alexander Wokaun
Energy & Environmental Science, 2016, 9, 2400-2409; DOI: http://dx.doi.org/10.1039/c6ee00862c

Kontakt/Ansprechpartner:
Dr. Ivo Alxneit; Labor für Solartechnik; Paul Scherrer Institut; 5232 Villigen PSI; Schweiz
Tel: +41 56 310 40 92; E-Mail: ivo.alxneit@psi.ch