Elektrotechnik

Heliostatspiegel in Madrid

Die Heliostatspiegel aus der Perspektive der ­Solar­turmspitze auf der Pilotanlage von IMDEA Energía im Technologiepark von Móstoles bei Madrid. (Foto: ARTTIC)

Ein perfekt geschlossener Kreislauf

Allein mit Sonnenlicht und Luft kann heute CO₂-neutrales Kerosin hergestellt werden. Forscher der ETH Zürich haben die Technologie dazu entwickelt. Zu einer nachhaltigeren Luftfahrt fehlt nur noch die industrielle Skalierung der Produktion – und die Besteuerung fossiler Flugzeugtreibstoffe.

Letztes Jahr erzielte ein internationales Konsortium führender europäischer ­Forschungsinstitutionen und Industriefirmen aus dem Bereich der thermochemischen Solarforschung einen Meilenstein auf dem Weg zur Herstellung CO-neutraler synthetischer Treibstoffe: Auf dem Gelände des Madrider Forschungsinstituts IMDEA ­Energía gelang es, alle Komponenten und Subsysteme in einer eigens dafür eingerichteten integralen solarthermischen Pilotanlage zum Laufen zu bringen.

«Damit ist es weltweit erstmals gelungen, die ganze Prozesskette von der Konzentration der Sonnenenergie bis zur Herstellung des Flüssigbrennstoffs unter realen Bedingungen und unter Einschluss aller Komponenten in einem integrierten Verbundsystem zu reproduzieren», schildert der stellver­tretende Direktor von IMDEA Energía ­Manuel Romero Álvarez.

Sein Institut war für die Entwicklung des Solarturms und des Heliostatenfelds verantwortlich, ­während sich die niederländische Firma HyGear Technology & Services um die Prozessumwandlung in Flüssigtreibstoffe und die ETH Zürich um den Solarreaktor kümmerten. Bei der Präsentation der Abschlussberichte erhielt die Forscherdelegation Anfang Februar im EU-Hauptquartier in Brüssel ein sehr positives ­Feedback, wie Romero versichert.

Sun-to-Liquid (2016–2019) – so der ­offizielle Name des vierjährigen Projekts – wurde im Rahmen des Forschungsprogramms Horizon 2020 von der Europäischen Kommission und dem Staatssekretariat   für Bildung, Forschung und Innovation gefördert. Der Schweizer Projektpartner hatte bereits im Vorgängerprojekt Solar-Jet (2011–2015) die Reaktortechnologie ­entwickelt, die mit Sonnenlicht und Luft flüssige Treibstoffe wie Kerosin oder ­Methanol herstellt.

Mit der vor Jahresfrist der Öffentlichkeit vorgestellten solaren Miniraffinerie auf dem Dach des Maschinenlaboratoriums bildeten die ETH-Forschenden zuletzt die gesamte thermochemische Prozesskette ab, einschliesslich des ­Auffangens von CO und Wasser aus der Luft

Ein dreistufiger Prozess

Die Prozesskette integriert drei thermochemische Umwandlungsprozesse: erstens die direkte Abscheidung von CO undWasser aus der Umgebungsluft; zweitens die solar-thermochemische Spaltung dieser Ausgangsstoffe in Synthesegas; und drittens dessen katalytische Konvertierung in Flüssigkohlenwasserstoffe. Die Technologien für die ersten zwei dieser drei Prozesse wurden an der ETH Zürich entwickelt und werden derzeit von den Spin-offs Climeworks und Synhelion kommerzialisiert.

Kernstück des dreistufigen Prozesses ist der Hochtemperatur-Solarreaktor. Entwickelt hat ihn ETH-Professor Aldo Steinfeld gemeinsam mit seiner Forschungsgruppe. Der schweizerisch-uruguayische Wissenschaftler wurde für seine Reaktortechnologie schon vor Jahren unter anderem mit dem «Golden Idea Award» der Schweizerischen Gesellschaft für Ideen- und Innovationsmanagement Idee-Suisse ausgezeichnet.

Zentral für die Reaktionsspaltung im Innern des Reaktors ist eine poröse Keramikstruktur aus Ceriumoxid: «Die Struktur wurde im Rahmen von ­Doktorarbeiten entwickelt, mit dem Ziel, ein Redox-Material zu erhalten, das eine effiziente Wärme- und Stoffübertragung sowie eine schnelle Reaktionskinetik bei Temperaturen von bis zu 1500 Grad ermöglicht», erklärt Steinfeld. Ceriumoxid verfügt aufgrund seiner hohen Sauerstoffleitfähigkeit und stabilen Zyklierbarkeit über ein erhöhtes Redoxpotenzial.

Geschlossener Stoffkreislauf

«Die solaren Flüssigtreibstoffe sind nachhaltig und CO-neutral, weil bei der ­Verbrennung nur so viel CO entsteht, wie zuvor direkt der atmosphärischen Luft entzogen wurde. So entsteht ein perfekt geschlossener Stoffkreislauf», begründet Steinfeld.

Auch Manuel Romero spricht von einem «Kreislaufprozess». Die spanischen Projektpartner brauchten allein für die Justierung der Heliostaten der Solarturmanlage fast zwei Jahre. Wegen erhöhter Anforderungen hinsichtlich der Strahlungsbündelung und der im Solarreaktor erzeugten Temperaturen mussten die ­optischen Qualitäten verbessert und ­spezifische Heliostatspiegel entwickelt werden, die es auf dem Markt nicht gibt.

Auch Steinfelds Forschungsgruppe stellte diverse Prototypen her, um den Solar­reaktor mit einem passenden Hitzeschild auszustatten, der die erhöhte Strahlungsenergie effizient auffangen kann.

Schliesslich mussten bei der Integration aller Subsysteme diverse Anbindungs­­­probleme gelöst werden: «In der zweiten Projektphase bestand die Integrationsarbeit darin, das Solarfeld auf den Reaktor korrekt auszurichten; auf der anderen Seite musste der Reaktorausgang mit dem ­Gaseingang der Fischer-Tropsch-Anlage abgestimmt werden. Im dritten Jahr ­gelang die erstmalige Produktion von Synthesegas im Solarreaktor», erklärt Romero.

Eine Zeit lang seien die Systeme im hybriden Modus gefahren worden, ehe schliesslich im Jahr 2019 die Verbundanlage zum ersten Mal integral habe betrieben werden können, zuletzt sogar im auto­matischen Betrieb. «Während der Sommermonate war das in der Solaranlage produzierte Kerosin zu hundert Prozent solar; das heisst, alle Moleküle des Treibstoffs entstanden allein durch die Energie der Sonne», so Romero.

Für den kommerziellen Betrieb müsse man die Anlage ungefähr um den Faktor hundert skalieren, also auf mehrere Dutzend Megawatt, um signifikante Mengen zu produzieren, ergänzt der ­spanische Wissenschaftler.

Dekarbonisierung des Transports

In seinem Zürcher Labor widmet sich Aldo Steinfeld derzeit der Steigerung des ­Energieumwandlungs-Wirkungsgrads des Solarreaktors. Im Labor konnten mit einer 4-Kilowatt-Anlage Spitzenwerte von 5,25 Prozent erzielt werden. Bei einer Pilotanlage wie in Spanien mit 50 kW ­Leistung und Wärmerückgewinnung sind potenzielle Wirkungsgrade von 10 Prozent machbar.

Thermodynamische Analysen haben zudem gezeigt, dass bei einem Scale-up und weiteren Optimierungen sogar Werte von über 20 Prozent möglich wären. Steinfeld ist zuversichtlich, dass solares Kerosin dereinst fossile Flugzeugtreibstoffe ersetzen kann.

Laut den am Gemeinschaftsprojekt beteiligten Wissenschaftlern liessen sich mit dem Ersatz fossiler durch solare ­Treibstoffe die CO-Emissionen um mehr als 90 Prozent senken. Wie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – einer von sieben Partnern des EU-Projekts – in einem Papier festhält, könnte die globale Kerosinnachfrage durch regenerative solare Kraftstoffe gedeckt werden.

Am besten für die solare Kraftstoffproduktion eigneten sich Wüstenstandorte. Gemäss Projektkoordinator Andreas Sizmann von der Denkfabrik Bauhaus Luftfahrt wären Südeuropa, der Mittlere Osten und ­Nordafrika dafür prädestiniert. 6000 ­Produktionsanlagen könnten den ­täglichen Kerosinbedarf der Luftfahrt von sechs Millionen Barrels decken. Weniger als ein Prozent der globalen Wüstenfläche reichten dafür aus.

Fiskalische Anreize

Gemäss der Studie von Bauhaus Luftfahrt liegen die Kosten für die Herstellung von einem Liter solaren Kerosin zwischen eineinhalb und zwei Euro. Demgegenüber kostet fossiles Kerosin weniger als ein Euro. Einen verhältnismässig grossen Anteil an der Preisdifferenz habe der ­Prozess der atmosphärischen CO-Abscheidung, kommentiert Manuel Romero die Studie.

«Die Kosten dafür belaufen sich auf über 100 Euro pro Tonne CO. Die ­Technologie könnte attraktiver werden, wenn wir solche CO2-Entnahmen aus der Luft von Abgaben und Steuern befreien würden», sagt er, und folgert: «Die Besteuerung des fossilen Kerosins in der Luftfahrt ist das Puzzleteil, das noch fehlt, um diese Preislücke zu schliessen.»

Aldo Steinfeld ist überzeugt, dass die Technologie einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigeren Zukunft leisten kann. Er sitzt im wissenschaftlichen Beirat von Synhelion, das an der Verwirklichung ­dieser Vision arbeitet. Strategischer Partner des Unternehmens ist der italienische Mineralölkonzern Eni, der über das Know-how zum Bau von industriellen Raffinerien sowie über ein etabliertes Lager- und Verteilungssystem für Treibstoffe verfügt.

Doch für Steinfeld könnte die Solar-to-­­Fuel- Technologie über den Transportsektor hinaus auch für die Industrie interessant sein: «Grundsätzlich ist jeder energieintensive Prozess, der Hochtemperaturwärme erfordert, ein attraktiver Kandidat für unsere Solarkonzentrationstechnologie.» Er denkt vor allem an die Zementherstellung, die Metallgewinnung, die Ammoniaksynthese oder das Abfallrecycling.