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Mit Sonnenwärme zum Treibstoff: Ivo Alxneit, Chemiker am Paul Scherrer Instituts PSI, hat mit weiteren Forschenden am PSI und der ETH Zürich ein Verfahren entwickelt, das Sonnenenergie nutzen kann, um Treibstoff herzustellen. Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Die Sonne hat das Potenzial, die Herausforderungen einer zukünftigen Energieversorgung nachhaltig zu lösen. Allerdings gibt es dabei noch ein großes Problem: 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 einen chemischen Prozess vorgestellt, in dem die Wärmeenergie der Sonne genutzt werden kann, um aus Kohlendioxid und Wasser direkt hochenergetische Treibstoffe herzustellen. Hierfür haben sie eine neue Materialkombination aus Ceroxid und Rhodium entwickelt. Damit ebnen sie den Weg für eine chemische Speicherung der Sonnenwärme.

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 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“, sagt 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.

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 (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 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“, so Alxneit: Zusätzlich zur Solaranlage wäre eine weitere großtechnische Anlage nötig.

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. „Es war eine große Herausforderung, die extremen Reaktionsbedingungen zu beherrschen und ein Katalysator-Material zu entwickeln, das den Aktivierungsprozess bei 1500 °C übersteht“, so Doktorand Fangjian Lin am PSI. 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.