Treibstoff aus Sonnen­licht und Luft

Die gängigen Treib­stoffe wie Benzin, Diesel oder Kerosin durch nicht­fossile und damit weniger umwelt­schädliche Alternativen zu ersetzen, ist ausser­ordentlich schwierig. Die hohe Energie­dichte der genannten Stoffe ermöglicht eine grosse Reich­weite bei wenig Gewicht und Volumen. Treib­stoffe aus Energie­pflanzen wie Zucker­rohr oder Mais haben wegen des Energie­aufwands für Anbau und Her­stellung nicht unbedingt eine bessere CO₂-Bilanz und stehen zudem in Kon­kurrenz zur Nahrungs­mittel­produktion.
Eine Alternative könnten solare Treib­stoffe bieten. Der ETH ­Zürich ist es gelungen, einen Prozess zu ent­wickeln, mit dem sich aus Luft und Sonnen­licht so­ge­nann­tes Synthesegas her­stellen lässt. Dieses kann mit bekannten Ver­fahren zu flüssigen Treib­stoffen wie Methanol, Benzin oder Kerosin weiter­verarbeitet werden. Die ge­won­nenen Treib­stoffe entlassen bei ­ihrer Ver­brennung nur so viel CO₂ in die Atmosphäre, wie dieser vorher bei der Treib­stoff­her­stellung ent­nommen wurde. Damit sind sie CO₂-neutral. Zudem kann die bestehende Speicher- und Verteil­infra­struk­tur – zum Beispiel Tankstellen – weiterhin genutzt werden.
Nach rund zehn Jahren Forschung und Entwicklung funktioniert der Prozess nun auch ausserhalb des Labors. In Zürich, auf dem Dach des Maschinen­laboratoriums der ETH, steht eine An­lage, die pro Tag rund einen Deziliter Treib­stoff produziert. Kern­stück ist ein Solar­reaktor im Brenn­punkt eines Parabol­spiegels mit vier­einhalb Meter Durch­messer. Die Sonne dient nicht etwa der Strom­erzeugung durch Photo­voltaik. Vielmehr wird durch die Kon­zen­tra­tion des Sonnen­lichts eine Temperatur von 1500 Grad Celsius erzielt, die es für den thermo­chemischen Prozess braucht.

Die Prozesskette besteht aus drei thermo­chemischen Schritten:

• Mithilfe eines Filters sowie Nieder­­temperatur­wärme wird CO₂ aus der Luft ge­filtert. Zudem wird aus der Luft­feuchtig­keit Wasser (H₂O) gewonnen.
• Im Solar­reaktor erfolgen zwei Schritte: Zuerst wird ein Keramik­schwamm aus Ceriumoxid durch kon­zen­trierte Sonnen­­hitze auf 1500 Grad Celsius erwärmt. Dadurch wird er chemisch reduziert, das heisst, er gibt Sauer­stoff ab. In einem zweiten Schritt werden – ohne Zufuhr von Sonnen­wärme – CO₂ und H₂O zum Keramik­schwamm geführt und dort bei rund 800 Grad in Kohlen­monoxid (CO) und Wasser­stoff (H₂) umgewandelt. Dies ist möglich, weil das reduzierte Ceriumoxid Sauer­stoff auf­nehmen kann und damit wieder oxidiert.
• Das Gemisch aus CO und H₂ nennt sich Synthesegas und lässt sich in einem dritten thermo­chemischen Schritt in Methanol und andere flüssige Treib­stoffe umwandeln

Die Anlage wandelt derzeit lediglich rund 5 Prozent des Sonnen­lichts in Treib­stoff um. Das ist aller­dings bereits 13-mal mehr als zu Beginn der Ent­wick­lung im Jahr 2010. Eine weitere deutliche Wirkungs­­grad­steigerung auf etwa 20 Prozent sollte durch eine Wärme­rück­gewinnung möglich sein. Dabei geht es darum, die bei der Ab­kühlung von 1500 auf 800 Grad anfallende Wärme auf­zufangen und wieder einzuspeisen.
Neben der Demonstrations­anlage auf dem Dach der ETH mit 5 Kilo­watt Leistung (solare Einstrahlung) existiert eine 50-Kilowatt-Anlage in der Nähe von Madrid. Dort wird der Solar­reaktor im Rahmen des EU-Projekts «Sun to Liquid» in einem grösseren Mass­stab getestet. Das nächste Ziel ist, die Techno­logie schritt­weise auf indusrielle Grösse zu skalieren, das heisst bis auf etwa 20 000 bis 40 000 Kilo­watt, und zugleich Wettbewerbs­­fähigkeit zu erreichen. Die erste kommerzielle Anlage soll 2025 in Be­trieb gehen.

Wir müssen die Effizienz des Prozesses steigern, was neue oder angepasste Kom­po­nenten nötig macht. Zudem mü­ssen wir zeigen, dass der Pro­zess auch im grossen Mass­stab tauglich ist. Wir ent­wickeln zudem eine Palette anderer Tech­no­logien, die – auf der Basis ähn­lich­er Kom­po­nen­ten – den CO₂-Ausstoss zwar nicht kom­plett vermeiden, dafür aber deutlich günstiger sind.

Kerosin kostet heute etwa 50 Rappen pro Liter. Wir gehen aber davon aus, dass dieser Preis steigen wird, zum Bei­spiel durch zunehmend höhere CO₂-Ab­gaben. Für unseren solaren Treib­stoff peilen wir einen Liter­preis von 1 bis 2 Franken an und hof­fen, damit markt­tauglich zu werden. Dabei müssen wir auch ge­gen­über anderen Alternativ­­treib­stoffen bestehen können, zum Bei­spiel gegenüber Bio­­treibstoffen. Wir sind aber zu­ver­sich­tlich, dass dies gelingen kann: Unser Pro­zess läuft in weniger Prozess­schritten ab als andere Ver­fahren und hat deshalb ein höheres Effizienz­potenzial.

Das EU-Projekt «Sun to Liquid» mit der Turm­anlage in Madrid hat gezeigt, dass unsere Tech­no­lo­gie in einem grösseren Mass­stab an­wend­bar ist. Generell ist die enge Zusammen­arbeit mit For­schen­den aus der EU wert­voll für die tech­nische Entwicklung.