Zinkverbindungen zum Speichern von Sonnenenergie

Die Reduktion von Zinkoxid (ZnO) mit kohleartigem Material unter Nutzung der Sonneneinstrahlung als Energiequelle ist ein innovatives Konzept für die Energiespeicherung in Zink (Zn) als „Solarbrennstoff“. Der Energiegehalt des Zinks kann anschließend als Elektrizität in Zink-Luft-Brennstoffzellen gespeichert werden oder Zink kann auch zur Herstellung von hochreinem Sauerstoff durch die Reaktion mit Wasserdampf dienen. Bei beiden Verfahren entsteht ZnO, das im Solarreaktor weiterverarbeitet werden kann, um erneut metallisches Zinkoxid mit drastisch gesenkten CO2-Emissionen im Vergleich zur konventionellen Zn-Produktion mit fossilen Brennstoffen zu erhalten.

Mit dem Ziel einer experimentellen Bewertung der solaren karbothermischen ZnO-Reduktion im Versuchsmaßstab entwickelte und fertigte man im Rahmen des von der Europäischen Kommission finanzierten SOLZINC-Projekts einen innovativen Solarreaktor mit zwei Hohlräumen. In den gut isolierten unteren Hohlraum als Reaktorkammer gelangt eine Mischung aus Zinkoxid mit Kohle, Koks oder Kohlenstoff-Biomasse. Ein Feld von Heliostaten reflektiert das Sonnenlicht auf einen hyperbolischen Spiegel, der am Produktionsturm (production tower) befestigt ist, welcher wiederum die Lichtstrahlen durch einen zweiten Konzentrator in den Solarofen reflektiert.

Die Sonneneinstrahlung erhitzt den oberen Hohlraum durch ein Quarzfenster, wodurch anschließend der untere Hohlraum indirekt erwärmt wird. Bei Temperaturen von über 1000°C zerfällt das ZnO in Zink und Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff verbindet und als untergeordnete Nebenprodukte Kohlenstoffoxide bildet. Die gasförmigen Produkte werden über ein Gasabzugsrohr entfernt, das zur Kondensation des Zinks und zur Bildung eines feinen Pulvers, das sicher verarbeitet und transportiert werden kann, mit einem Kühler verbunden ist.

Nach umfangreichen Versuchen mit verschiedenen Prototypen in Laborgröße integrierte man den chemischen Solarreaktor in das Solarkraftwerk des Weizmann-Instituts für Wissenschaften in Israel, dessen Leistung 1MW erreicht. Die ersten Versuche verliefen erfolgreich. Man nutzte 30 Prozent der verfügbaren Sonnenenergie und erhielt pro Stunde 45kg Zink, was die anvisierten Zielstellungen noch übertraf. In einer industriellen Anlage mit ihrem gesamten Ausmaß können durch einen ähnlichen Prozess viel größere Mengen gewonnen werden. Für die Zukunft sieht die Forschergruppe die Möglichkeit eines Ersatzes der Kohle durch Biomasse gegeben, wodurch das gesamte Verfahren vollständig verschmutzungsfrei wird.