Treibstoff aus Sonnenenergie

Konzentrierte Sonnenenergie kann technisch nicht nur zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden, man kann mit ihrer Hilfe auch Brennstoffe wie Wasserstoff oder indirekt sogar flüssige Treibstoffe produzieren.

Nun wurde einer der Pioniere auf diesem Gebiet, Professor Aldo Steinfeld vom Paul Scherrer Institut und der ETH Zürich, mit dem Yellott Award, dem Preis des amerikanischen Ingenieursverband ASME für Arbeiten zu erneuerbaren Energien ausgezeichnet.

Sonnenenergie ist im Wesentlichen uneingeschränkt vorhanden und ihre Verwendung ökologisch sinnvoll. Allerdings ist die auf die Erde treffende Solarstrahlung stark verdünnt, nicht dauernd verfügbar sowie ungleichmässig über die Erdoberfläche verteilt. Diese Nachteile können überwunden werden, wenn die Sonnenenergie konzentriert und in chemische Energieträger umgewandelt wird, und zwar in Form von solaren Brenn- und Treibstoffen, die über lange Zeit gespeichert und über weite Distanzen transportiert werden können.

Sonnenlicht erfolgreich konzentrieren

Dazu werden durch hochkonzentriertes Sonnenlicht chemische Reaktionen angeregt, deren Produkte als Treibstoffe dienen können – im einfachsten Fall kann man etwa Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten und mit dem gewonnenen Wasserstoff in einer Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugen. Die Arbeit von Steinfeld und seinen Kollegen konzentriert sich darauf, thermochemische Hochtemperatur-Prozesse zu erforschen und besonders effiziente Solarreaktoren zu entwickeln, in denen die Vorgänge unter den extremen Bedingungen der hochkonzentrierten Sonneneinstrahlung stattfinden können. „Die Technologien zum Konzentrieren der Sonnenenergie werden bereits erfolgreich im Megawatt-Massstab in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Dabei heizt konzentriertes Sonnenlicht eine Flüssigkeit auf, die wiederum Dampf erhitzt, womit eine Turbine angetrieben und über den angeschlossenen Generator elektrischer Strom erzeugt wird. Man müsste also nur einen entsprechenden chemischen Reaktor in den Brennpunkt eines Solarturm-Kraftwerks einbauen, um unser Verfahren zu nutzen“ erklärt Steinfeld einen der praktischen Vorteile und das Potenzial seiner Technologie. Solarthermische Kraftwerke werden bereits in mehreren Ländern genutzt und sind in den letzten Wochen durch die Idee, in Afrika erzeugten Strom nach Europa zu transportieren, wieder ins öffentliche Bewusstsein gerückt.

Zink als Sonnenspeicher

Die Forschenden von Steinfelds Arbeitsgruppen am PSI und an der ETH arbeiten an verschiedenen chemischen Verfahren, um solare Treibstoffe herzustellen. Besonders attraktiv ist die am PSI entwickelte Methode, Zinkoxid mit Hilfe von konzentrierter Sonnenenergie in metallisches Zink und Sauerstoff aufzuspalten. Bringt man das Zink später mit Wasserdampf in Kontakt, entsteht dabei wieder Zinkoxid sowie Wasserstoff, der als Treibstoff genutzt werden kann. Der Vorteil dieses thermochemischen Kreisprozesses besteht darin, dass Sauerstoff und Wasserstoff in getrennten Reaktionen entstehen und man so nicht mit einem explosiven Gasgemisch hantieren muss. Ausserdem kann die zweite Reaktion erst an dem Ort stattfinden, an dem der Wasserstoff benötigt wird – man muss also kein Wasserstoffgas lagern oder transportieren.

Sonnenenergie tanken

Als weiteres Beispiel nennt Steinfeld die solare Produktion von Synthesegas – einer Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid – das mit bekannten chemischen Verfahren in flüssigen Treibstoff umgewandelt und somit an den vorhandenen Tankstellen wie gewöhnliches Benzin getankt werden kann. „Solare Brenn- und Treibstoffe machen es möglich, Kraftwerke, Fahrzeuge und Betriebe der chemischen Industrie mit umweltfreundlicher Energie zu versorgen und leisten damit einen Beitrag zur Lösung der Klimaproblematik.“ betont Steinfeld.

Um die neu entwickelten Solarreaktoren testen zu können, betreibt das Labor für Solartechnik am PSI einen Solarofen, in dem die Sonnenenergie an einem Punkt bis zu 5000-fach konzentriert werden kann und in dem Temperaturen von über 2000°C erreicht werden können.

Internationale Karriere

Der Preisträger Prof. Aldo Steinfeld arbeitet seit 1991 am Paul Scherrer Institut (Villigen), wo er seit 2005 das Labor für Solartechnik leitet. Seit 2007 ist er auch ordentlicher Professor für Erneuerbare Energieträger an der ETH Zürich. Er hat an der Universität von Minnesota in den USA promoviert und anschliessend am Weizmann-Institut in Israel gearbeitet. Am Paul Scherrer Institut hat er als einer der Pioniere auf dem Gebiet die Forschung zur Hochtemperatur-Solarchemie aufgebaut. Neben seiner Arbeit als Forscher und Hochschullehrer ist Steinfeld auch Herausgeber der Fachzeitschrift Journal of Solar Energy Engineering.

ASME (American Society of Mechanical Engineers) ist ein weltweit aktiver Ingenieurverband, der Yellott Award sein bedeutendster Preis auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien. Er wird alle zwei Jahre an Forschende verliehen, die sich um die Erforschung erneuerbarer Energien verdient gemacht haben – durch eigene wissenschaftliche Arbeit, durch Ausbildung und durch ihre Arbeit für die Forschergemeinschaft. Der Preis wird Prof. Steinfeld am 22. Juli 2009 (Ortszeit) im Rahmen der internationalen Konferenz über nachhaltige Energien in San Francisco verliehen.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Kontakt:
Prof. Dr. Aldo Steinfeld
Am PSI: Labor für Solartechnik, 5232 Villigen PSI, Schweiz, Telefon: +41 (0)56 310 31 24, E-Mail: aldo.steinfeld@psi.ch

An der ETH: Institut für Energietechnik, ML J 42.1, Sonneggstr. 3, 8092 Zürich, Schweiz, Telefon: +41 (0)44 632 79 29, E-Mail: aldo.steinfeld@eth.ch

Dr. Anton Meier, Paul Scherrer Institut, Labor für Solartechnik, 5232 Villigen PSI, Schweiz, Telefon: +41 (0)56 310 27 88, E-Mail: anton.meier@psi.ch