Theoretisch ist es möglich, Düsentreibstoff nur aus Wasser, CO2 und Sonnenenergie herzustellen, aber dies außerhalb des Labors zu tun, hat sich als schwierig erwiesen. Jetzt haben Forscher das erste vollständig integrierte System geschaffen, das dazu in der Lage ist, dies in großem Maßstab im Feld zu tun.
Der Luftverkehr ist für etwa fünf Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich und erweist sich als hartnäckig schwer zu dekarbonisieren. Während sich andere Sektoren auf die Elektrifizierung verlassen haben, um von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen umzusteigen, machen die strengen Gewichtsbeschränkungen in der Luftfahrt es unmöglich, sich in naher Zukunft auf Batteriestrom zu verlassen.
Es besteht zunehmend Einigkeit darüber, dass jeder realistische Weg zur Dekarbonisierung der Luftfahrt bis Mitte dieses Jahrhunderts die Verwendung nachhaltiger „Drop-in“-Kraftstoffe erfordern wird, was sich auf Kraftstoffe bezieht, die mit bestehenden Strahltriebwerken und Betankungsinfrastrukturen funktionieren. Die Logik ist, dass jede alternative Energiequelle wie Batterien flüssig ist Hydrierung, oder flüssiges Ammoniak werden unrealistische Investitionen in neue Flugzeuge und Kraftstofflager- und -verteilungssysteme erfordern.
Forscher untersuchen eine Vielzahl von Ansätzen zur Herstellung nachhaltiger Flugkraftstoffe. Am gebräuchlichsten ist heute die Herstellung von Kerosin durch die Reaktion von tierischen oder pflanzlichen Ölen mit Wasserstoff. Der Ansatz ist gut etabliert, aber es gibt begrenzte erneuerbare Quellen für diese Rohstoffe und es gibt Konkurrenz durch Biodiesel aus dem Automobilsektor.
Ein aufkommender Ansatz beinhaltet die Erzeugung von Kraftstoff durch die direkte Kombination von Grün Hydrierung mit Kohlenmonoxid aus abgeschiedenem CO2. Dies ist viel schwieriger, da alle beteiligten Schritte – Elektrolyse von Wasser zur Erzeugung von grünem Wasserstoff, Abscheidung von CO2 aus der Luft oder aus industriellen Quellen, Reduzierung von CO2 zu CO und deren Kombination zur Herstellung von Kerosin – viel Energie verbrauchen Energie.
Der Vorteil besteht darin, dass die Rohstoffe reichlich vorhanden sind, sodass die Suche nach einem Weg zur Reduzierung des Energiebedarfs die Tür zu einer reichlichen neuen Quelle nachhaltiger Brennstoffe öffnen könnte. Eine neue Anlage, die mit einer Reihe von Spiegeln das Sonnenlicht auf einen Solarreaktor auf einem Turm lenkt, könnte ein vielversprechender Ansatz sein.
„Wir sind die ersten, die die gesamte thermochemische Prozesskette von Wasser und CO2 bis zu Kerosin in einem vollintegrierten Solarturmsystem demonstrieren“, sagte Aldo Steinfeld von der ETH Zürich, der die Forschung leitete, sagte in einer Pressemitteilung. „Diese Solarturm-Kraftstoffanlage wurde mit einem für die industrielle Umsetzung relevanten Setup betrieben und setzte einen technologischen Meilenstein zur Herstellung nachhaltiger Flugkraftstoffe.“
Die Einrichtung, beschrieben in a Papier in joule, verfügt über 169 der Sonne nachgeführte reflektierende Paneele, die das Sonnenlicht in den Solarreaktor lenken und konzentrieren, der auf einem 49 Fuß hohen Turm thront. Wasser und CO2 werden in den Solarreaktor gepumpt, der eine poröse Struktur aus Ceroxid enthält, einem Oxid des Seltenerdmetalls Cer.
Das Ceroxid trägt dazu bei, eine Redoxreaktion anzutreiben, die Sauerstoff aus dem Wasser und CO2 entfernt, um eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen, die als Syngas bekannt ist. Das Ceroxid wird durch diesen Prozess nicht verbraucht und kann wiederverwendet werden, während der überschüssige Sauerstoff einfach in die Atmosphäre freigesetzt wird. Das Synthesegas wird durch den Turm zu einem Gas-to-Liquid-Konverter gepumpt, wo es zu flüssigem Kraftstoff verarbeitet wird, der 16 Prozent Kerosin und 40 Prozent Diesel enthält.
Durch die Nutzung der Sonnenwärme zum Antrieb des gesamten Prozesses bietet der Aufbau einen Weg, den erheblichen Strombedarf konventionellerer Ansätze zu umgehen. Allerdings stellen die Forscher fest, dass die Effizienz ihres Systems noch relativ gering ist. Nur vier Prozent der eingefangenen Sonnenenergie wurden im Synthesegas in chemische Energie umgewandelt, obwohl sie einen Weg sehen, diese auf über 15 Prozent zu erhöhen.
Das Gesamtproduktionsniveau ist auch weit von dem entfernt, was erforderlich wäre, um den Treibstoffbedarf der Luftfahrtindustrie zu senken. Obwohl die Anlage die Fläche eines kleinen Parkplatzes einnahm, konnte sie in 5,000 Tagen nur knapp über 9 Liter Synthesegas produzieren. Wenn man bedenkt, dass nur 16 Prozent davon dann in Kerosin umgewandelt wurden, muss die Technologie erheblich skaliert werden.
Dies ist jedoch die bisher größte Demonstration der Nutzung von Sonnenlicht zur Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe, und wie die Forscher betonen, ist der Aufbau industriell realistisch. Mit weiteren Optimierungen und viel Investition könnte dies eines Tages ein vielversprechender Weg sein, unsere Flüge weniger belastend für die Umwelt zu machen.
Bildquelle: ETH Zürich
