Solare Brennstoffe aus Wasser und Kohlendioxid

Woher kommt unser Treibstoff? Dass Benzin, Diesel und Kerosin aus Erdöl gewonnen werden, dürfte bei der aktuellen Diskussion um immer knapper werdende Ressourcen und steigenden CO2 Ausstoß den meisten Menschen bekannt sein. Alternativen zu den bisherigen Brennstoffen gibt es, zum Beispiel Brennstoffe aus Biomasse oder Elektrofahrzeuge, wobei der Strom hierbei  möglichst aus einer regenerativen Quelle, wie z.B. der Sonne oder dem Wind erzeugt werden sollte. Wasserstoff ist eine weitere Alternative zu unseren bisherigen Brennstoffen. Allerdings wird dieser zurzeit noch zum größten Teil aus fossilen Rohstoffen, meist aus Erdgas, gewonnen.


Die Treibstoffe, die wir heute nutzen, können auch vollständig aus erneuerbaren Energien und den Rohstoffen Wasser und Kohlendioxid gewonnen werden. Ein Weg, wie dies geschehen kann, wird seit 2012 in einer Kooperation von Forschungseinrichtungen und Universitäten aus Deutschland und der Schweiz untersucht. Im Virtuellen Institut SolarSynGas -  was kurz für ‚solares Synthesegas‘ steht - arbeiten das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Technische Universität Clausthal (TU Clausthal), das Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) und die Eidgenössiche Technische Hochschule Zürich (ETH) zusammen.


Das Ziel der Kooperation ist es, Brennstoffe aus Wasser, Kohlendioxid und Solarenergie ganz ohne fossile Rohstoffe und ohne Freisetzung von CO2-Emissionen zu gewinnen. Die notwendigen Rohstoffe und die Energiequelle zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Verfügbarkeit aus. Wasser ist allgemeinhin gut verfügbar und Kohlendioxid kann entweder aus der Luft oder aus dem Abgas eines CO2-intensiven Prozesses abgetrennt werden, zum Beispiel aus den Abgasen eines konventionellen Kohlekraftwerkes. Das CO2 wird seinerseits zur Herstellung von neuen Brennstoffen verwendet, es wird durch den anvisierten Prozess also wiederverwertet. Der Prozess, der im Virtuellen Institut untersucht wird, konvertiert einerseits Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) und andererseits Kohlendioxid (CO2) in die Bestandteile Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (O2). Das bei diesem Prozess entstehende Synthesegas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, bildet die Grundlage zur Produktion von konventionellen Brennstoffen. In der Fischer-Tropsch Synthese, einem gängigen industriellen Verfahren, werden aus Synthesegas gasförmige sowie flüssige kohlenwasserstoffbasierte Brennstoffe, wie z.B. Benzin und Kerosin gewonnen. Andere etablierte Verfahren stellen Methanol aus Synthesegas her.


Im Virtuellen Institut SolarSynGas wird ein Prozess untersucht, in dem das Synthesegas durch die thermochemische Spaltung von Wasser beziehungsweise Kohlendioxid gewonnen wird. In diesem Prozess wird Wasser  mittels Zuhilfenahme eines Metalloxides, kurz MO in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt. Das ganze läuft in zwei Schritten ab. Zunächst wird das Metalloxid bei hoher Temperatur reduziert und Sauerstoff abgespalten, wie in Gleichung 1 dargestellt. Im zweiten Schritt reagiert das reduzierte Metalloxid mit Wasserdampf, bindet dabei den im Wasser enthaltenen Sauerstoff und es entsteht Wasserstoff (siehe Gleichung 2). Wie in Gleichung 3 zu sehen ist, kann mit diesem Prozess auch Kohlendioxid in CO und O2 zerlegt werden. Das Metalloxid selbst wird im Prozess wiederverwertet und im Kreis gefahren.


MOoxidiert → MOreduziert + O2                       (1)
MOreduziert + H2O → MOoxidiert + H2           (2)
MOreduziert + CO2 → MOoxidiert + CO          (3)

 

Ebenfalls ist es möglich in diesem Prozess auch Wasserdampf und Kohlendioxid gleichzeitig zuzuführen, so dass direkt in einem Prozessschritt Synthesegas entsteht.

Abbildung 1: Schema eines thermochemischen Kreisprozesses zur Wasser / Kohlendioxid-Spaltung.

In Abbildung 1 ist der Gesamtprozess dargestellt. Da der Reduktionsschritt endotherm ist und bei Temperaturen bis zu 1500 °C abläuft, muss hier Energie eingekoppelt werden. Dies geschieht mittels konzentrierter Sonnenenergie, die zum Beispiel mit einem sogenannten Solarturm bereitgestellt wird. Hierbei wird Solarenergie mittels großer Spiegel, den sogenannten Heliostaten gesammelt und auf eine kleine Fläche konzentriert, die auf einem Turm, oberhalb des Solarfeldes liegt [1]. Abbildung 2 zeigt einen Solarturm auf der spanischen Forschungsplattform Plataforma Solar de Almería.

Abbildung 2: Solarturm in Südspanien.

In einem sogenannten solaren Receiver-Reaktor, der auf dem Solarturm installiert ist, findet dann die chemische Reaktion statt und es entsteht Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid. Der Receiver-Reaktor absorbiert somit einerseits das konzentrierte Sonnenlicht und agiert gleichzeitig als chemischer Reaktor. Wie der Gesamtprozess aussehen kann, zeigt Abbildung 3.

Abbildung 3: Prinzip der solaren Brennstofferzeugung.

Bereits in den 70er Jahren entstand die Idee Wasserstoff aus Wasser und Sonnenenergie herzustellen [2, 3]. Aber erst die größer werdende Sorge um CO2-Ausstoß und Verknappung der fossilen Ressourcen in den letzten zwei Jahrzehnten, führte zu einer technologischen Weiterentwicklung der Idee.


Das Virtuelle Institut SolarSynGas hat es sich zur Aufgabe gemacht, diesen Prozess weiter zu entwickeln. Schlüsselkomponenten sind hierbei insbesondere das Material und der solare Receiver-Reaktor. Das Institut für Werkstoffforschung des DLR und das KIT entwickeln hierbei neue Materialien, die einerseits hochtemperaturbeständig sind und andererseits hohe Ausbeuten liefern. Da das Metalloxid im Kreislauf gefahren wird, muss es zudem eine ausreichende Langzeitstabilität aufweisen und darf nicht zu schnell degradieren. Besonders vielversprechend haben sich in den Untersuchungen Materialien basierend auf Ceroxid erwiesen. Diese werden in verschiedenen Testständen des KIT, des DLR und der TU Clausthal untersucht und charakterisiert. Es werden einerseits spezielle Eigenschaften der Materialien, wie die Sauerstoffionendiffision bestimmt, andererseits können die Wasserstoff bzw. CO-Ausbeuten und die Langzeitstabilität der Materialien getestet werden.


Das Institut für  Solarforschung des DLR und die ETH Zürich entwickeln vornehmlich die Reaktortechnologie weiter. Dabei stehen zwei grundsätzlich verschiedene Reaktorkonzepte im Fokus, die auf der Nutzung des Materials zum einen in partikulärer Form und zum anderen als strukturierte poröse Formkörper beruhen. Auch die Modellierung einzelner Reaktorkomponenten und des Gesamtprozesses sind ein wichtiger Bestandteil der Arbeiten. Hierbei gehen Material- und Reaktorentwicklung Hand in Hand, da zur Modellierung und Optimierung des solaren Reaktors die Kenntnis der Materialeigenschaften von großer Bedeutung ist.


Diese Arbeiten sind essentielle Schritte auf dem Weg, das Ziel des Virtuellen Instituts SolarSynGas, Brennstoffe mittels Synthesegasherstellung aus erneuerbaren Rohstoffen und Energiequellen über eine thermochemische Route effizient und wirtschaftlich herzustellen, mittel- bis langfristig umzusetzen.

Literatur

[1]    Roeb, M., M. Neises, N. Monnerie, C. Sattler, and R. Pitz-Paal, Technologies and trends in solar power and fuels. Energy & Environmental Science, 2011. 4(7): p. 2503-2511.

[2]    Nakamura, T., Hydrogen production from water utilizing solar heat at high temperatures. Solar Energy, 1977. 19: p. 467-475.

[3]    Agrafiotis, C., M. Roeb, and C. Sattler, A review on solar thermal syngas production via redox pair-based water/carbon dioxide splitting thermochemical cycles. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015. 42(0): p. 254-285.