Treibstoff aus Wasser, CO2 und Sonnenlicht

Ein amerikanisch-schweizerisches Forscherteam hat einen Solarreaktor entwickelt, der mit Hilfe von konzentriertem Sonnenlicht aus Wasser und Kohlendioxid Treibstoff erzeugt. Wie sie in „Science“ berichten, sind die Wirkungsgrade dabei um zwei Größenordnungen höher als bei bisherigen photokatalytischen Verfahren. Eine industrielle Anwendung könnte nach Angaben der Forscher ab 2020 möglich sein.

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Sonnenenergie ist sauber und steht unbegrenzt zur Verfügung; sie ist aber nicht dauernd verfügbar sowie ungleichmäßig über die Erdoberfläche 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.

Einem Forschungsteam des California Institute of Technology (Caltech), sowie des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Zürich ist es nun gelungen, ein solches Rezept und den dazugehörenden Solar-Reaktor zu entwickeln. Mit einem radikal neuen Prozess wird Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt 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.

Ceriumoxid als Katalysator

Die zugrundeliegende Idee besteht darin, Wasser und CO2 in einem zweistufigen Verfahren mit Hilfe von Sonnenenergie aufzuspalten. In einem ersten Schritt lenken die Wissenschaftler 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 1.500°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, so dass das Ceriumoxid wieder in der Ausgangsform vorliegt und der Kreisprozess erneut gestartet werden kann. Übrig bleibt reines Syngas aus H2 und CO.

Kraft von 1.500 Sonnen

Die Wissenschaftler testeten ihren Reaktor-Prototyp am Hochfluss-Solarsimulator des PSI. 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 Aldo Steinfeld, Professor für Erneuerbare Energieträger an der ETH Zürich. „Die Resultate, die wir in Science veröffentlichen, belegen die Machbarkeit von solarbetriebenen thermochemischen Verfahren zur Herstellung von Treibstoff aus Kohlendioxid und Wasser.“

Erster industrieller Einsatz 2020

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“. (Science, 2010; doi: 10.1126/science.1197834 )

(ETH Zürich, 07.01.2011 – NPO)