Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/sun-to-liquid-wie-mit-sonnenlicht-sauberes-kerosin-erzeugt-wird-1806-134969.html    Veröffentlicht: 15.06.2018 12:08    Kurz-URL: https://glm.io/134969

Sun to Liquid

Wie mit Sonnenlicht sauberes Kerosin erzeugt wird

Wasser, Kohlendioxid und Sonnenlicht ergeben: Treibstoff. In Spanien wird eine Anlage in Betrieb genommen, in der mit Hilfe von Sonnenlicht eine Vorstufe für synthetisches Kerosin erzeugt oder Wasserstoff gewonnen wird. Ein Projektverantwortlicher vom DLR hat uns erklärt, warum die Forschung an Brennstoffen trotz Energiewende sinnvoll ist.

Wenn die Sonne aufgeht, wird es heiß in Móstoles: 169 Spiegel fangen das Licht auf und reflektieren es auf eine kleine Öffnung auf einem 20 Meter hohen Turm. Darin steigen die Temperaturen innerhalb kurzer Zeit so an, dass Stahl schmelzen würde. In Móstoles wird aber nichts geschmolzen und auch kein Dampf erzeugt, um Generatoren zu betreiben. In der Anlage wird aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid Treibstoff, beispielsweise für Flugzeuge, erzeugt.

Aber weshalb wird in Zeiten, in der über eine Verkehrswende diskutiert wird, Geld in die Forschung für Brennstoffe gesteckt? "Für viele Anwendungen, für die wir heute flüssige, feste oder gasförmige Brennstoffe, also Erdöl, Kohle oder Erdgas nutzen, müssen wir schauen, welche Alternativen es gibt", sagt Christian Sattler im Gespräch mit Golem.de. Er leitet die Abteilung Solare Verfahrenstechnik im Institut für Solarforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln. "Das kann häufig Strom sein, etwa beim landgebundenen Transport. Manchmal eben auch nicht."

Synthetischer Treibstoff für Schiffe und Flugzeuge

Zu diesem "Manchmal" gehören Schiffe und Flugzeuge. Damit sie die Umwelt weniger schädigen, sollen sie nicht mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, sondern mit synthetisch hergestellten. Deren Vorteil: Bei ihrer Gewinnung wird saubere Energie genutzt, sie emittieren bei der Verbrennung weniger Schadstoffe - und bei der Erzeugung kann sogar Kohlendioxid gebunden werden.

Ziel des Projekts Sun to Liquid ist es zu zeigen, dass das nicht nur unter Laborbedingungen funktioniert, sondern dass solche Verfahren auch für den Betrieb in Großanlagen taugen. Solche Verfahren heißt in diesem Fall thermochemische Redox-Kreisprozesse, bei denen ein Synthesegas, bestehend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, gewonnen wird, aus dem dann ein synthetischer Brennstoff erzeugt wird.

Die jeweils 1,9 m x 1,6 m großen Heliostaten reflektieren das Sonnenlicht mit unterschiedlicher Intensität in die beiden auf dem Turm. Dahinter befindet sich ein Reaktor, dessen Kammer mit einem keramischen Schaum aus Ceroxid ausgekleidet ist. Die Heliostaten heizen das Innere der Kammer auf etwa 1.400 Grad auf. Bei so hohen Temperaturen gibt das Ceroxid Sauerstoff ab.

Danach werden die Heliostaten auf den zweite Receiver fokussiert. Die erste Kammer kühlt auf etwa 800 bis 1.000 Grad ab. Dann werden Wasserdampf und Kohlendioxid in die Kammer geleitet. Der keramische Schaum entzieht beiden den Sauerstoff. Übrig bleiben Wasserstoff und Kohlenmonoxid - das Synthesegas für die Herstellung von Kerosin. Beide Receiver würden im Wechsel gefahren, erläutert Sattler, "so dass man gleichzeitig Wasserstoff und Kohlenmonoxid auf der einen Seite und Sauerstoff auf der anderen generiert. Der wird, wenn man möchte, gesammelt, denn man kann ihn für einige Prozesse noch gut gebrauchen."

Der letzte Schritt, aus dem Synthesegas mittels Fischer-Tropsch-Synthese Kerosin zu machen, sei ein seit fast 100 Jahren etabliertes Verfahren in der Chemie, sagt Sattler. Dass das Verfahren funktioniert, hat die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ) in einer kleineren Anlage im Vorgängerprojekt Solarjet gezeigt.

Wo kommt das Kohlendioxid her?

Einer der Partner bei Solarjet, der Mineralölkonzern Shell, hat aus dem darin gewonnenen Synthesegas Kerosin erzeugt und dieses dann untersucht. "Man konnte sehen: Das Kerosin entspricht genau den Vorgaben, die gefordert sind. Man kann also tatsächlich sagen: Aus Wasser, Kohlendioxid und Licht wurde das Kerosin hergestellt" sagt Sattler.

Das synthetische Kerosin hatte genau die gleichen Eigenschaften wie das konventionelle, aus Erdöl hergestellte. Das ist sehr wichtig: Es muss mit der gleichen Temperatur verbrennen und das gleiche chemische Verhalten aufweisen. Denn nur, wenn es den strengen Vorgaben genügt, kann es für die Luftfahrt zugelassen werden.

Bezogen auf die Umwelt können synthetische Kraftstoffe besser sein als die fossilen: So lässt sich etwa ihre Zusammensetzung besser einstellen. Das wiederum hat zur Folge, dass bei der Verbrennung weniger Feinstaub freigesetzt wird. Außerdem kann der synthetische Brennstoff eine neutrale Kohlendioxidbilanz aufweisen, wenn das Kohlendioxid aus der Luft gewonnen wird. Zwar wird bei der Verbrennung wie bei fossilem Brennstoff Kohlendioxid freigesetzt. Doch wurde das Gas zuvor für die Herstellung eingesetzt - es ist also mehr oder weniger ein Nullsummenspiel.

Allerdings kein einfaches: Denn das Kohlendioxid, das für die Herstellung des Synthesegases benötigt wird, muss irgendwo herkommen. Zwar ist im Zuge der Klimaerwärmung davon die Rede, dass die Konzentration des Kohlendioxids in der Atmosphäre steigt. Um es aus der Luft zu gewinnen, ist die Konzentration jedoch zu gering: etwa 400 parts per million, was es sehr aufwendig und damit teuer machen würde, das Kohlendioxid aus der Luft zu extrahieren.

Das gilt auch für die Lösung, das Kohlendioxid zu nutzen, das aus Industrieabgasen abgeschieden wird. "Da gewinnt man aber nicht viel, weil man mit einem schlechten Wirkungsgrad Kohlendioxid aus den Abgasen extrahiert, um es dann wieder zu verbrennen. Man verzögert also nur die Emission in die Umwelt um einen kurzen Zeitraum", sagt Sattler. Es wird darüber debattiert, ob das eine vorteilhafte Kohlendioxidbilanz ergibt.

Eine Alternative könnte die Gewinnung von Kohlendioxid aus Biomasse sein. Jedoch reicht laut dem Bauhaus Luftfahrt, das das Projekt koordiniert, die Anbaufläche nicht aus, um den Bedarf der Luftfahrt zu decken. Vielversprechend erscheint die Baustoffindustrie: Bei der Zementherstellung wird Kohlendioxid freigesetzt, das sich dafür einsetzen ließe.

Das dürfte das jedoch erst relevant werden, wenn das in industriellem Maßstab umgesetzt wird.

Sauberer Kraftstoff für Flugzeuge und Schiffe

Nachdem das Projekt Solarjet gezeigt hat, dass es grundsätzlich möglich ist, aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid Kerosin herzustellen, soll das 2016 gestartete Nachfolgeprojekt Sun to Liquid zeigen, dass das auch außerhalb des Labors funktioniert. Dafür wurde vor den Toren Madrids die Anlage errichtet, die in Kürze ihren Betrieb aufnehmen wird. Die Initiatoren erwarten "wichtige Erkenntnisse im Hinblick auf die technischen, ökologischen und ökonomischen Potenziale einer zukünftigen industriellen Implementierung", schreibt das Bauhaus Luftfahrt auf der Projektwebseite.

Geforscht wird an den thermochemischen Kreisprozessen schon seit Längerem: Wie so viele alternative Energiekonzepte sind auch sie ein Ergebnis der Ölkrisen in den 1970er-Jahren. Nach dem Ansteigen der Ölpreise machten sich die westlichen Industrienationen Gedanken darüber, wie sie ihren Energiebedarf ohne Rohöl aus dem Mittleren Osten decken könnten.

Gesucht wurde ein anderer Energieträger und ein Verfahren, um diesen zu erzeugen. Der Energieträger sollte Wasserstoff sein, der mit Hilfe der thermochemischen Kreisprozesse erzeugt werden sollte. Als Energiequelle war damals allerdings nicht die Sonne gedacht, sondern Atomreaktoren. Wie bei vielen dieser Projekte ging auch an diesem das Interesse verloren, als der Ölpreis wieder fiel. Erst nach der Klimakonferenz von Kyoto Anfang der Jahrtausends wurde die Arbeit daran wieder aufgenommen - nur eben mit Wärme aus erneuerbaren Quellen.

Wie ursprünglich konzipiert, lässt sich auf diese Weise auch nur Wasserstoff aus Wasser gewinnen, der als Energieträger gespeichert wird. Dieser Prozess hat mutmaßlich einen höheren Wirkungsgrad als die Wasserstofferzeugung per Hochtemperatur- und Niedrigtemperatur-Elektrolyse.

Je nach dem Verhältnis von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff können aus dem Synthesegas auch Fette und Paraffine oder Benzin hergestellt werden. Die Frage ist aber, ob das sinnvoll ist und der Verkehr auf der Straße nicht besser auf Elektroantriebe mit Akku oder Brennstoffzelle umgestellt werden soll. Das ist allerdings auch eine gesellschaftliche und politische Frage.

Anders sieht das bei Schiffen oder Flugzeugen aus. Zwar wird an Brennstoffzellenantrieben für Schiffe und an Hybridantrieben für Flugzeuge entwickelt. Doch das wird noch eine ganze Weile dauern.

EU will Schadstoffemissionen in der Luftfahrt reduzieren

"In der Luftfahrt kommen wir im Moment an der Turbine nicht vorbei", sagt Sattler. Auf der anderen Seite verlangt das Programm Flightpath 2050 der Europäischen Union bis Mitte des Jahrhunderts eine Reduzierung von Kohlendioxidemissionen um 60 Prozent und der Stickoxidbelastung um 90 Prozent. Da könnten die synthetisch erzeugte Treibstoffe helfen, Emissionen zu einzusparen - dies gilt insbesondere für Schiffe, deren Betrieb mit Schweröl ein sehr großes Umweltproblem darstellt.

Aber auch, bis die synthetischen Treibstoffe in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, wird es noch dauern. "Ab 2025 hätten wir gern eine größere Demonstration im Fünf- bis Zehn-Megawatt-Maßstab in Betrieb und dann 2030 vielleicht eine industrielle Produktion", sagt Sattler.  (wp)


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