Forscher am Paul Scherrer Institut PSI und an der ETH Zürich haben einen chemischen Prozess entwickelt, in dem die Wärmeenergie der Sonne genutzt werden kann, um aus Kohlendioxid und Wasser direkt hochenergetische Treibstoffe herzustellen. Hierfür kommt die neu entwickelte Materialkombination aus Ceroxid und Rhodium zum Einsatz. Damit ebnen sie den Weg für eine chemische Speicherung der Sonnenwärme.
Sonnenwärme zu Sprit
„So 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 ähnlichen Prinzip wie das der Solarkraftwerke: Die Forscher setzen Wärme ein, um bestimmte chemische Prozesse anzuregen, die erst bei sehr hohen Temperaturen von über 1000 °C ablaufen - warum nicht die Wärme der Sonne?
Der Prozess funktioniert mit Materialien wie Ceroxid, einer Verbindung des Metalls Cer mit Sauerstoff. Bei sehr hohen Temperaturen von rund 1500 °C verliert das Ceroxid Sauerstoff-Atome. Dadurch strebt das Material bei niedrigeren Temperaturen an, Sauerstoff-Atome an sich zu binden. Werden nun Wasser- und Kohlendioxid-Moleküle über eine derart aktivierte Oberfläche geleitet, geben sie Sauerstoff-Atome ab. Wasser wird so zu Wasserstoff umgewandelt und Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid, während sich zugleich das Ceroxid regeneriert.
Damit kann der Kreislauf von vorne beginnen. Aus dem entstandenen Wasserstoff und Kohlenmonoxid lassen sich Treibstoffe herstellen: flüssige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Benzin und Diesel. Die Treibstoffe lassen sich direkt nutzen, können aber auch in Tanks gespeichert oder ins Erdgasnetz eingespeist werden.
Chemie statt Science Fiction
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 Soalr-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 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 Wissenschaftler haben ein Material entwickelt, mit dem sich die Treibstoffe direkt im ersten Verfahrensschritt produzieren lassen. Hierfür haben sie dem Ceroxid kleine Mengen Rhodium zugesetzt, das als Katalysator fungiert. Von Rhodium ist schon länger bekannt, dass es Reaktionen mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ermöglicht.
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.“
