Meilenstein in der Energiegewinnung: Dieser Reaktor auf dem Dach der ETH macht Treibstoff aus Licht und Luft
Auf dem Dach eines ETH-Gebäudes in Zürich wird mit einem Solarreaktor und einer Mini-Raffinerie aus Sonnenlicht und Luft flüssiger Treibstoff für Flugzeuge.
Die Sonne strahlt vom blauen Himmel über Zürich. Genau richtig für die Vorstellung des Solarreaktors auf dem Dach eines ETH-Gebäudes und der weltweit ersten Miniraffinerie, die hier unter realen Bedingungen funktioniert und mit der aus Sonnenlicht und Luft ein flüssiger Treibstoff hergestellt wird. Wohlgemerkt ein CO2-neutraler Treibstoff, der bei seiner Verbrennung nur so viel CO2 freisetzt, wie vorher in dieser Anlage der Luft entnommen worden ist.
In einem ersten Schritt wird in einer Anlage in einem weissen Container aus der Zürcher Umgebungsluft CO2 und Wasser abgeschieden. In einem zweiten Schritt wird über die Bündelung der Sonnenstrahlen im Solarreaktor eine Hitze von 1500 Grad Celsius erzeugt, mit der in einem porösen Keramikschaum CO2 und Wasser aufgespalten wird. Daraus entsteht ein Syngas, eine Mischung aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), welches anschliessend in der danebenliegenden Miniraffinerie zu flüssigem Solar-Metanol oder Kerosin verarbeitet wird.
Grosse Vorteile von flüssigem Treibstoff
Dieser synthetische flüssige Treibstoff kann danach in einem Fahrzeug oder Flugzeug eingesetzt werden. «Flüssige Treibstoffe haben grosse Vorteile», sagt Projektleiter Philipp Furler, Mitarbeiter bei Renewable Energy Carriers und CTO des ETH-Spin-offs Synhelion.
In flüssigen Treibstoffen stecke 20 bis 60 Mal mehr Energie als in einer Batterie. Das macht diesen hier erzeugten Treibstoff so interessant für den Flugverkehr. «Langstreckenflüge mit Batterien werden nicht möglich sein. Dafür sind diese viel zu schwer», sagt Furler. «Die Luftfahrt hat deshalb keine Alternative. Sie muss auch in Zukunft auf flüssige Treibstoffe setzen, muss aber gleichzeitig den CO2-Ausstoss reduzieren». Deshalb zielt diese ETH-Forschung auf den Flugverkehr und weniger auf den Strassenverkehr, in dem Elektroautos ihre Energie in Zukunft wohl öfter aus Batterien ziehen werden.
Am besten funktioniert die Erzeugung in der Wüste
Aus dem im Solarreaktor erzeugten Syngas könne in der Mini-Raffinerie eine ganze Bandbreite an Treibstoffen erzeugt werden, erklärt Furler. Und im Gegensatz zum Kerosin, der aus Erdöl hergestellt werde, habe das Kerosin aus Syngas keine giftigen Schwefelstoffe. In dieser Forschungsanlage kann pro Tag ein Deziliter Methanol oder Kerosin hergestellt werden. Das reicht natürlich nicht für den Flugverkehr. «Die Produktionsmenge hängt mit der zur Verfügung stehenden Fläche und dem Sonnenlicht zusammen», sagt Furler.
Am besten funktioniert die Erzeugung von synthetischem Treibstoff deshalb in Wüstengebieten. «Das muss nicht in Saudi-Arabien sein», sagt Philipp Furler. Eher denke man an politisch stabile Länder wie Spanien oder Chile. «Auf einer Fläche von einem Quadratkilometer kann man mit dieser Methode 25000 Liter Kerosin pro Tag erzeugen». Zum Vergleich: Ein Flug von Zürich nach New York braucht 45000 Liter, also würde eine 1-km2-Anlage für die Produktion zwei Tage brauchen.
Forschung seit 20 Jahren
Begonnen hat die Forschung an diesem Verfahren zur Gewinnung von flüssigem Treibstoff vor 20 Jahren, 2010 ist der Reaktorprozess in einem Solarreaktor-Prototypen geglückt, 2014 konnte erstmals Kerosin aus Wasser und CO2 unter Laborbedingungen gewonnen werden. «2019 ist es nun gelungen, die gesamte Prozesskette unter realen Bedingungen ablaufen zu lassen und daraus Methanol aus Luft und Sonnenlicht zu machen», sagt Furler. Gleichzeitig ist auch ein Solarreaktor mit dem ETH-Prinzip in Madrid eröffnet worden. «Unser Ziel ist es, das Verfahren bis 2025 kommerziell nutzen zu können.» Kommerziell bedeutet, dass ein Liter synthetischer Kerosin aus Syngas 1 bis 2 Franken kostet.
Heute beträgt der Preis für einen Liter herkömmliches Kerosin 50 Rappen und ist von der Steuer befreit. Weiter verbessert werden soll bis zur kommerziellen Nutzung der Wirkungsgrad des Verfahrens. Im Jahr 2014 lag der noch bei lediglich zwei Prozent. Das bedeutet, dass nur zwei Prozent der einfallenden Sonnenenergie genutzt wurden. Inzwischen haben die Anlagen in Zürich und Madrid einen Wirkungsgrad von 5 bis 7 Prozent. «Wir haben die Effizienz also bereits deutlich gesteigert. Das reicht aber nicht aus. Wir streben einen Wirkungsgrad von 25 Prozent an.» Dafür müsse man die Wärmeverluste während des Prozesses weiter reduzieren.
Furler denkt, dass synthetische, flüssige Treibstoffe in zwanzig Jahren einen substanziellen Teil am weltweiten Verbrauch abdecken werden. Furler sagt:
«Um den globalen Luftverkehr heute abzudecken, braucht es die Fläche der Schweiz oder einen Drittel der Mojave-Wüste in Kalifornien.»
Mit keinem anderen Verfahren könne so direkt und mit derart wenigen Prozessschritten Treibstoff aus Licht und Luft erzeugt werden. Und im Gegensatz zu Biofuel, für das aus Lebensmitteln Treibstoffe gemacht werden und Ackerfläche verbraucht wird, werden diese Kraftwerke auf ungenutztem Wüstenland stehen
