{"id":36595,"date":"2016-08-11T07:23:24","date_gmt":"2016-08-11T05:23:24","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=36595"},"modified":"2021-09-09T21:40:47","modified_gmt":"2021-09-09T19:40:47","slug":"sonnen-sprit-auf-dem-weg-zu-nachhaltigem-benzin","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/sonnen-sprit-auf-dem-weg-zu-nachhaltigem-benzin\/","title":{"rendered":"Sonnen-Sprit: Auf dem Weg zu nachhaltigem Benzin"},"content":{"rendered":"
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Ivo Alxneit, Chemiker am Labor f\u00fcr Solartechnik des Paul Scherrer Instituts PSI, bereitet ein Experiment vor. Er hat gemeinsam mit weiteren Forschenden am PSI sowie an der ETH Z\u00fcrich ein Verfahren entwickelt, das die Sonnenenergie nutzen kann, um Treibstoff herzustellen. (Foto: Paul Scherrer Institut\/Markus Fischer) – Zoom – <\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Die Sonne ist eine saubere und unersch\u00f6pfliche Energiequelle. Sie hat das Potenzial, die Herausforderungen einer zuk\u00fcnftigen Energieversorgung nachhaltig zu l\u00f6sen. Allerdings gibt es dabei noch ein grosses Problem: Die Sonne scheint nicht immer und ihre Energie l\u00e4sst sich schwer speichern. Forscher am Paul Scherrer Institut PSI und an der ETH Z\u00fcrich haben nun erstmals einen chemischen Prozess vorgestellt, in dem die W\u00e4rmeenergie der Sonne genutzt werden kann, um aus Kohlendioxid und Wasser direkt hochenergetische Treibstoffe herzustellen. Hierf\u00fcr haben sie eine neue Materialkombination aus Ceroxid und Rhodium entwickelt. Damit ebnen sie den Weg f\u00fcr eine chemische Speicherung der Sonnenw\u00e4rme. Ihre Ergebnisse ver\u00f6ffentlichen die Forschenden nun in der Fachzeitschrift Energy and Environmental Science<\/em>.<\/strong><\/p>\n

Die Energie der Sonne wird schon heute in verschiedenen Formen genutzt: W\u00e4hrend Photovoltaik-Zellen das Licht der Sonne in elektrischen Strom umwandeln, nutzen solarthermische Anlagen die enorme W\u00e4rmeenergie der Sonnenstrahlen, um beispielsweise eine Fl\u00fcssigkeit zu erhitzen. In grossem Massstab wird dieser zweite Ansatz in Solarkraftwerken umgesetzt: Hier fokussieren tausende von Spiegeln die Sonnenstrahlen auf einen W\u00e4rmeabsorber, in dem entweder direkt oder \u00fcber einen W\u00e4rmetauscher bei mehr als 500 Grad Celsius Dampf erzeugt wird. \u00dcber Turbinen wird so W\u00e4rmeenergie in elektrischen Strom umgewandelt.<\/p>\n

Eine Alternative dazu haben jetzt Forschende am Paul Scherrer Institut PSI und an der ETH Z\u00fcrich gemeinsam entwickelt. Mit dem neuen Verfahren kann Sonnenw\u00e4rme erstmals genutzt werden, um aus Kohlendioxid und Wasser direkt k\u00fcnstlichen Treibstoff herzustellen.<\/p>\n

“Damit l\u00e4sst sich die Sonnenenergie in Form chemischer Bindungen speichern”, erl\u00e4utert Ivo Alxneit, Chemiker am Labor f\u00fcr Solartechnik des PSI. “Das ist einfacher als Strom zu speichern.” Der neue Ansatz funktioniert nach einem ganz \u00e4hnlichen Prinzip wie das der Solarkraftwerke. Alxneit und seine Kollegen setzen W\u00e4rme ein, um bestimmte chemische Prozesse anzuregen, die erst bei sehr hohen Temperaturen von \u00fcber 1000 Grad Celsius ablaufen. F\u00fcr die ben\u00f6tigte Hitze kann eines Tages die Sonnenenergie genutzt werden.<\/p>\n

Mit Sonnenw\u00e4rme zum Treibstoff<\/h3>\n

Das Prinzip hinter Alxneits Forschung heisst thermo-chemischer Zyklus. In diesem Begriff stecken sowohl die chemische Umwandlung in einem Kreislaufprozess als auch die daf\u00fcr ben\u00f6tigte W\u00e4rmeenergie \u2013 in Fachkreisen thermische Energie genannt. Bereits vor zehn Jahren haben Forschende gezeigt, dass sich auf diese Weise energiearme Stoffe wie Wasser und das Abfallgas Kohlendioxid in energiereichere Stoffe wie Wasserstoff und Kohlenmonoxid umwandeln lassen.<\/p>\n

Das funktioniert in Gegenwart bestimmter Materialien wie Ceroxid, einer Verbindung des Metalls Cer mit Sauerstoff. Bei sehr hohen Temperaturen von rund 1500 Grad Celsius verliert das Ceroxid einige Sauerstoff-Atome. So vorbehandelt ist das Material bei niedrigeren Temperaturen begierig, wieder Sauerstoff-Atome an sich zu binden. Werden nun Wasser- und Kohlendioxid-Molek\u00fcle \u00fcber eine derart aktivierte Oberfl\u00e4che geleitet, geben sie Sauerstoff-Atome (chemisches Symbol: O) ab. Wasser (H2<\/sub>O) wird so zu Wasserstoff (H2<\/sub>) umgewandelt und Kohlendioxid (CO2<\/sub>) zu Kohlenmonoxid (CO), w\u00e4hrend sich zugleich das Ceroxid regeneriert. F\u00fcr letzteres kann der Kreisprozess damit von vorne beginnen.<\/p>\n

Aus dem entstandenen Wasserstoff und Kohlenmonoxid wiederum lassen sich Treibstoffe herstellen: konkret sind dies gasf\u00f6rmige oder fl\u00fcssige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Benzin und Diesel. Die Treibstoffe lassen sich direkt nutzen, k\u00f6nnen aber auch in Tanks gespeichert oder ins Erdgasnetz eingespeist werden.<\/p>\n

Bislang waren zwei Prozesse n\u00f6tig<\/h3>\n

Bislang jedoch war f\u00fcr diese Herstellung der Treibstoffe ein zweiter, getrennter Prozess n\u00f6tig: Die bereits 1925 entwickelte sogenannte Fischer-Tropsch-Synthese. Die Kombination von thermo-chemischem Zyklus und Fischer-Tropsch-Verfahren wurde k\u00fcrzlich von dem europ\u00e4ischen Forschungskonsortium SOLAR-JET vorgeschlagen.<\/p>\n

“Damit ist das Speicherproblem zwar im Prinzip gel\u00f6st. Allerdings ist der technische Aufwand einer Fischer-Tropsch-Synthese betr\u00e4chtlich”, kritisiert Alxneit: Zus\u00e4tzlich zur Solaranlage w\u00e4re eine weitere grosstechnische Anlage n\u00f6tig.<\/p>\n

Nun direkte Herstellung von Solar-Treibstoff<\/h3>\n

Mit dem neuen Ansatz von Ivo Alxneit und seinen Kollegen kann das Fischer-Tropsch-Verfahren und damit der zweite Schritt entfallen. Denn die Forschenden haben ein Material entwickelt, mit dem sich die Treibstoffe direkt im ersten Verfahrensschritt produzieren lassen. Hierf\u00fcr haben sie dem Ceroxid kleine Mengen Rhodium zugef\u00fcgt. Rhodium ist ein Katalysator, das heisst, es kann bestimmte chemische Reaktionen erm\u00f6glichen. Von Rhodium ist schon l\u00e4nger bekannt, dass es Reaktionen mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid erm\u00f6glicht.<\/p>\n

“Der Katalysator ist ein ganz zentraler Gegenstand der Forschung f\u00fcr die Herstellung dieser Solar-Treibstoffe”, sagt Alxneit. Und sein Doktorand Fangjian Lin am PSI betont: “Es war eine grosse Herausforderung, die extremen Reaktionsbedingungen zu beherrschen und ein Katalysator-Material zu entwickeln, das den Aktivierungsprozess bei 1500 Grad Celsius \u00fcbersteht.” Beispielsweise muss beim Abk\u00fchlen verhindert werden, dass die extrem kleinen Rhodium-Inseln an der Materialoberfl\u00e4che gr\u00f6\u00dfer werden oder verloren gehen, denn an ihnen m\u00fcssen sp\u00e4ter die gew\u00fcnschten Reaktionen stattfinden. Die schliesslich entstehenden Treibstoffe werden ihrem Verwendungszweck zugef\u00fchrt und der zyklisch angelegte Prozess kann mit der Aktivierung des Ceroxids erneut beginnen.<\/p>\n

In den Labors am PSI und an der ETH Z\u00fcrich haben die Forschenden mit verschiedenen Standardmethoden zur Struktur- und Gasanalyse gemessen, wie das Ceroxid mit dem Rhodium zusammengesetzt ist, wie gut die Aktivierung, also das Austreiben von Sauerstoff, funktioniert und wie gut die Bildung von Methan gelingt. “Noch liefert unser kombinierter Prozess nur kleine Mengen an direkt verwertbaren Treibstoffen”, res\u00fcmiert Alxneit. “Aber wir haben gezeigt, dass unsere Idee funktioniert. Sie ist hier der Schl\u00fcssel, denn davor war das alles nur Science Fiction.”<\/p>\n

Tests im Hochleistungsofen bestanden<\/h3>\n

In ihren Experimenten nutzen die Forschenden der Einfachheit halber keine Sonnenenergie, um die Prozesse zu betreiben, sondern einen Hochleistungsofen der ETH Z\u00fcrich. “F\u00fcr die Tests ist es egal, woher die W\u00e4rmeenergie kommt”, erkl\u00e4rt Matth\u00e4us Rothensteiner, Doktorand am PSI und an der ETH Z\u00fcrich und verantwortlich unter anderem f\u00fcr diese Tests.<\/p>\n

Jeroen van Bokhoven, Leiter des Labors f\u00fcr Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI und Professor f\u00fcr heterogene Katalyse an der ETH Z\u00fcrich erg\u00e4nzt: “Dank dieser Tests haben wir wichtige Erkenntnisse \u00fcber die Langzeitstabilit\u00e4t des Katalysators gewonnen. Mit unserem Hochleistungsofen konnten wir 59 Zyklen fahren und das besonders schnell. Einen ersten wichtigen Dauertest hat unser Material bereits problemlos bestanden.” Nachdem sie die prinzipielle Machbarkeit ihres Verfahrens gezeigt haben, k\u00f6nnen sich die Forschenden nun seiner Optimierung widmen.<\/p>\n

\u00dcber das PSI<\/h3>\n

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verf\u00fcgung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt besch\u00e4ftigt das PSI 2000 Mitarbeitende, das damit das gr\u00f6sste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget betr\u00e4gt rund CHF 370 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Z\u00fcrich und die ETH Lausanne angeh\u00f6ren sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL<\/p>\n

Kontakt<\/h3>\n

Dr. Ivo Alxneit
\nLabor f\u00fcr Solartechnik
\nPaul Scherrer Institut
\nTel: +41 56 310 40 92
\nE-Mail: ivo.alxneit@psi.ch<\/a><\/p>\n

Originalver\u00f6ffentlichung<\/em><\/h3>\n

First demonstration of direct hydrocarbon fuel production from water and carbon dioxide by solar-driven thermochemical cycles using rhodium\u2013ceria<\/em>
\n Fangjian Lin, Matth\u00e4us Rothensteiner, Ivo Alxneit, Jeroen A. van Bokhoven and Alexander Wokaun, <\/em>Energy & Environmental Science 2016,9, 2400-2409<\/em>
\n DOI: 10.1039\/c6ee00862c<\/a><\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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