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Auf dem Weg zu nachhaltigem Benzin

Sonne im Tank – Forscher ebnen Weg für chemische Speicherung der Sonnenwärme

| Autor/ Redakteur: Uta Deffke / Jörg Kempf

Die Experten sind sich einig: Mutter Sonne hat das Potenzial, die Herausforderungen einer zukünftigen Energieversorgung nachhaltig zu lösen. Der Haken an der Sache: Die Sonne scheint nicht immer und ihre Energie lässt sich schwer speichern. Forscher am Paul Scherrer Institut PSI und an der ETH Zürich haben nun erstmals einen chemischen Prozess vorgestellt, in dem die Wärmeenergie der Sonne genutzt werden kann, um aus Kohlendioxid und Wasser direkt hochenergetische Treibstoffe herzustellen.

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Ivo Alxneit, Chemiker am Labor für Solartechnik des Paul Scherrer Instituts PSI, bereitet ein Experiment vor. Er hat gemeinsam mit weiteren Forschenden am PSI sowie an der ETH Zürich ein Verfahren entwickelt, das die Sonnenenergie nutzen kann, um Treibstoff herzustellen. Hierfür haben sie eine neue Materialkombination aus Ceroxid und Rhodium entwickelt.
Ivo Alxneit, Chemiker am Labor für Solartechnik des Paul Scherrer Instituts PSI, bereitet ein Experiment vor. Er hat gemeinsam mit weiteren Forschenden am PSI sowie an der ETH Zürich ein Verfahren entwickelt, das die Sonnenenergie nutzen kann, um Treibstoff herzustellen. Hierfür haben sie eine neue Materialkombination aus Ceroxid und Rhodium entwickelt.
(Bild: Paul Scherrer Institut / Markus Fischer)

Villigen/Schweiz – 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 °C 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 °C 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 °C 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.

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