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Auf dem Weg zu nachhaltigem Benzin

Sonne im Tank – Forscher ebnen Weg für chemische Speicherung der Sonnenwärme

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Bislang waren zwei Prozesse nötig

Bislang jedoch war für diese Herstellung der Treibstoffe ein zweiter, getrennter Prozess nötig: Die bereits 1925 entwickelte sogenannte Fischer-Tropsch-Synthese. Die Kombination von thermo-chemischem Zyklus und Fischer-Tropsch-Verfahren wurde kürzlich von dem europäischen Forschungskonsortium Solarjet vorgeschlagen.

„Damit ist das Speicherproblem zwar im Prinzip gelöst. Allerdings ist der technische Aufwand einer Fischer-Tropsch-Synthese beträchtlich“, kritisiert Alxneit: Zusätzlich zur Solaranlage wäre eine weitere grosstechnische Anlage nötig.

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. Hierfür haben sie dem Ceroxid kleine Mengen Rhodium zugefügt. Rhodium ist ein Katalysator, das heißt, es kann bestimmte chemische Reaktionen ermöglichen. Von Rhodium ist schon länger bekannt, dass es Reaktionen mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ermöglicht.

„Der Katalysator ist ein ganz zentraler Gegenstand der Forschung für 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 °C übersteht.“ Beispielsweise muss beim Abkühlen verhindert werden, dass die extrem kleinen Rhodium-Inseln an der Materialoberfläche größer werden oder verloren gehen, denn an ihnen müssen später die gewünschten Reaktionen stattfinden. Die schließlich entstehenden Treibstoffe werden ihrem Verwendungszweck zugeführt und der zyklisch angelegte Prozess kann mit der Aktivierung des Ceroxids erneut beginnen.

In den Labors am PSI und an der ETH Zürich 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“, resümiert Alxneit. „Aber wir haben gezeigt, dass unsere Idee funktioniert. Sie ist hier der Schlüssel, denn davor war das alles nur Science Fiction.“

Tests im Hochleistungsofen bestanden

In ihren Experimenten nutzen die Forschenden der Einfachheit halber keine Sonnenenergie, um die Prozesse zu betreiben, sondern einen Hochleistungsofen der ETH Zürich. „Für die Tests ist es egal, woher die Wärmeenergie kommt“, erklärt Matthäus Rothensteiner, Doktorand am PSI und an der ETH Zürich und verantwortlich unter anderem für diese Tests.

Jeroen van Bokhoven, Leiter des Labors für Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI und Professor für heterogene Katalyse an der ETH Zürich ergänzt: „Dank dieser Tests haben wir wichtige Erkenntnisse über die Langzeitstabilität 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, können sich die Forschenden nun seiner Optimierung widmen.

Ihre Ergebnisse haben die Forschenden in der Fachzeitschrift Energy and Environmental Science veröffentlicht:

First demonstration of direct hydrocarbon fuel production from water and carbon dioxide by solar-driven thermochemical cycles using rhodium-ceria; Fangjian Lin, Matthäus Rothensteiner, Ivo Alxneit, Jeroen A. van Bokhoven and Alexander Wokaun; Energy & Environmental Science, 2016, 9, 2400-2409; DOI: 10.1039/c6ee00862c

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