Luft zu Kraftstoff? Diese Technologie könnte den Schlüssel zur Energieversorgung enthalten

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Hexian

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

„Die frische Brise auf dem Fluss und der helle Mond in den Bergen werden zu Klängen, wenn man sie mit den Ohren hört, und zu Farben, wenn man sie mit den Augen sieht. Sie sind endlos und unerschöpflich. Sie sind der endlose Schatz des Schöpfers.“ Obwohl Su Shi, der dies sagte, sehr einfühlsam war, hätte er sich nie träumen lassen, dass die Brise nicht nur ein „Koch ohne Reis“, sondern auch ein „Allheilmittel“ sein könnte.

Vor nicht allzu langer Zeit gelang chinesischen Wissenschaftlern die erste vollständige Synthese von Stärkemolekülen aus Kohlendioxid in der Luft im Labor. Damit bietet sich eine vielversprechende Strategie zur Bewältigung von Nahrungsmittelkrisen und des Klimawandels an.

Zufällig hat ein Forschungsteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) vor kurzem ein Gerät entwickelt, das Sonnenlicht und Luft nutzt, um direkt flüssige Kohlenwasserstoffe oder Methanolkraftstoffe zu produzieren und damit einen weiteren vielversprechenden Weg für die Absorption und Nutzung von Kohlendioxid bietet.

Diese Leistung wurde in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Das Gerät kann unter normalen Betriebsbedingungen angeblich an einem siebenstündigen Arbeitstag 32 ml Methanol produzieren. Klingt das nicht großartig? Lassen Sie es uns herausfinden.

Bildquelle: Nature

Das Geheimnis von Luft zu Kraftstoff:

Dieser Satz goldener Versuchsgeräte auf dem Dach des Roboterlaborgebäudes der Eidgenössischen Technischen Hochschule ist der Protagonist der heutigen Geschichte. Es sieht außergewöhnlich, schlicht und elegant aus und er hält einen Sonnenschirm, der ihm ein sehr stilvolles Aussehen verleiht. Ist sein Inneres so schlicht, wie es von außen erscheint? Das scheint nicht der Fall zu sein, aber es ist ein bisschen kompliziert.

Prozessablaufdiagramm der Versuchsanlage (Bildquelle: Nature)

Aber die Wahrheit ist immer einfach. Damit jeder das Funktionsprinzip klarer und schneller versteht, finden Sie hier als Referenz ein einfaches Flussdiagramm des Geräts zur Herstellung von Luft-Kraftstoff:

Bildquelle: Vom Autor erstellt

Wir alle wissen, dass es in der Natur ein wichtiges Gesetz gibt: das Gesetz der Massenerhaltung. Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Art der Atome einer Substanz unverändert und ihre Anzahl nimmt weder zu noch ab. Sie werden einfach neu kombiniert und von einer Verbindungsmethode in eine andere umgewandelt, genau wie eine Klasse nach dem Sitzplatzwechsel neu in Gruppen aufgeteilt wird. Die Atome werden neu gemischt und angeordnet, aber die Personen in der Klasse bleiben dieselben.

Wenn wir Methanol oder andere flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoffe erhalten möchten, müssen die Rohstoffe für ihre Herstellung dieselben Elemente enthalten, nämlich Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Luft ist ein Gemisch, das Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase, Kohlendioxid und andere Substanzen enthält. Der Volumenanteil von Kohlendioxid beträgt etwa 0,04 %, Wasserdampf und andere Verunreinigungen machen etwa 0,002 % aus. Der Gehalt ist relativ beträchtlich und enthält die gewünschten Elemente, wodurch die Herstellung von flüssigem Kraftstoff möglich wird. Nach dem Auffangen und Reinigen durch ein Lufterfassungsgerät können relativ reines Kohlendioxid (98 % Reinheit) und Wasser (Schadstoffe weniger als 0,2 ppm, ppm bedeutet parts per million) gewonnen werden. Die nächste Aufgabe besteht darin, Kohlendioxid und Wasser in Kraftstoff umzuwandeln.

Da eine direkte Umwandlung schwierig ist, besteht eine Notlösung darin, sie zunächst zu Synthesegas, nämlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid, aufzubereiten, welches das Rohgas für die Herstellung vieler chemischer Rohstoffe ist. Die Methode dieses Versuchsgeräts besteht darin, Sonnenenergie zu nutzen, um die Redoxreaktion von Kohlendioxid und Wasserdampf mit Certrioxid anzutreiben. Kohlendioxid und Wasser werden zu Kohlenmonoxid bzw. Wasserstoff reduziert, während Certrioxid zu Cerdioxid oxidiert wird. Das Oxidationsprodukt Cerdioxid kann auch durch endotherme thermische Reduktion zu Sauerstoff und Certrioxid reduziert werden, was für das Recycling praktisch ist. Das Synthesegas, Kohlenmonoxid und Wasserstoff, gelangen dann in die Reaktionsanlage, um das Zielprodukt, flüssige Kohlenwasserstoffe oder Methanol, zu erzeugen, das als Luftbrennstoff dient.

Der eigentliche Laufeffekt:

Dieser Weg zur Herstellung von flüssigem Kraftstoff unter Verwendung von Luft als Rohstoff klingt vernünftig, aber ist er tatsächlich machbar? Schauen wir uns zunächst die Produktion an. Die Forscher stellten fest, dass das Gerät unter normalen Arbeitsbedingungen 7 Stunden am Tag in Betrieb war und durch 17 aufeinanderfolgende Redoxzyklen insgesamt 96,2 Liter Synthesegas produzierte, das im Gerät weiter zu Methanol verarbeitet werden konnte.

Die vom Gerät gemessene molare Umwandlungsrate des Synthesegases im Einzeldurchgang beträgt 27 %, und die Reinheit des produzierten Methanols beträgt 65 %.

Nachdem das verbleibende, nicht umgewandelte Synthesegas sechsmal umgewandelt wurde, beträgt die endgültige Gesamtmolumwandlungsrate 85 %. Bei einem Betrieb von 7 Stunden pro Tag werden 32 ml reines Methanol gewonnen. Die Verbrennungswärme dieser Leistung entspricht dem Stromverbrauch einer 9-Watt-Leuchtstofflampe in 15 Stunden. Natürlich ist diese Art von Ausrüstung nicht auf die Herstellung von Methanol beschränkt. Durch die Wahl eines spezifischen Syntheseverfahrens können auch andere Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe maßgeschneidert hergestellt werden.

Die Forscher gehen davon aus, dass diese Errungenschaft bei kommerzieller Nutzung enorme Gewinne abwerfen wird. Beispielsweise könnte ein Solarbrennstoffkraftwerk im kommerziellen Maßstab 10 Heliostatenfelder nutzen, vorausgesetzt, jedes Feld sammelt 100 MW Solarwärmestrahlung und das System hat einen Gesamtwirkungsgrad η von 10 %. Dadurch könnten täglich 95.000 Liter Kerosin produziert werden, genug, um einen Airbus A350 mit 325 Passagieren von London nach New York und zurück zu betanken.

Bildquelle: Science Popularization China

Wie ist also die Qualität dieser Kraftstoffe? Vergleichen wir es mit herkömmlichem Flugbenzin. Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Flugkerosin ist derzeit das Hydrocracken von Schweröl. Die Produkte enthalten zwangsläufig Luftschadstoffe wie schwefelhaltige Verbindungen, stickstoffhaltige Verbindungen, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Schwermetalle usw. Verbrennungstests haben gezeigt, dass der von der Solar-Redox-Anlage produzierte Düsentreibstoff die Schadstoffemissionen erheblich reduziert, was einen einzigartigen Vorteil darstellt. Zudem ist Öl eine nicht erneuerbare Energiequelle, während Luft kontinuierlich gewonnen werden kann und auf lange Sicht vielversprechender ist.

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Die Bedeutung von „herumwerfen“:

Die Geschichte ist hier noch nicht zu Ende. In diesem Solar-Redox-Gerät werden Kohlendioxid und Wasser unter Einwirkung von Sonnenenergie in flüssigen Brennstoff umgewandelt, und wenn der flüssige Brennstoff verwendet wird, werden erneut Kohlendioxid und Wasser erzeugt. Da CO2-Emissionen und -Verbrauch aus materieller Sicht gleich hoch sind, sprechen die Forscher von einem „Meilenstein in Richtung CO2-Neutralität“. Aus energetischer Sicht stammt der Großteil der Energie im Brennstoffaufbereitungsprozess aus Sonnenenergie und die anschließende Brennstoffverbrennung kann je nach Bedarf in andere Energieformen umgewandelt werden, was einer indirekten Nutzung sauberer Energie gleichkommt.

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Darüber hinaus berechneten die Forscher, dass eine Luftabscheidungsanlage basierend auf der Leistungsfähigkeit aktueller Solarbrennstoffsysteme eine Fläche von etwa 4.500 Quadratmetern benötigen würde, um 100.000 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr abzuscheiden. Bei einem angenommenen Gesamtsystemwirkungsgrad η von 10 % würde ein solches Solarbrennstoffkraftwerk etwa 34 Millionen Liter Brennstoff pro Jahr produzieren. Zum Vergleich: Der weltweite Kerosinverbrauch in der Luftfahrt lag im Jahr 2019 bei 414 Milliarden Litern. Um den weltweiten Bedarf vollständig zu decken, müsste die Gesamtfläche aller Solarkraftwerke etwa 45.000 Quadratkilometer betragen, was nur 0,5 % der Fläche der Sahara entspricht.

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Es scheint, dass Solarkraftstoffsysteme aufgrund ihrer leicht verfügbaren Rohstoffe, ihrer Umweltfreundlichkeit und ihres geringen Platzbedarfs leicht zu fördern sind. In der Realität stehen sie jedoch vor Herausforderungen. Die anfänglichen Investitionskosten für solarthermochemischen Brennstoff sind sehr hoch. Konventioneller Düsentreibstoff kostet normalerweise nicht mehr als 1 US-Dollar pro Liter, während solarbetriebener Düsentreibstoff mehr als 10 US-Dollar pro Liter kostet und daher kurzfristig nicht vorteilhaft ist.

Angesichts dessen haben die Forscher zwei Überlegungen angestellt. Erstens fordern sie politische Unterstützung, um kurzfristig einen Markt für die erste Generation kommerzieller Solarkraftwerke zu schaffen. Dieser Schritt ist entscheidend. Zweitens fordern sie eine Selbstverbesserung durch Skaleneffekte und Prozessoptimierung, Massenproduktion von Schlüsselkomponenten und kontinuierliche Verbesserung zur Kostensenkung und damit zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt.

Die Dekarbonisierung ist ein langfristiges Thema. Es handelt sich nicht um etwas, worüber eine bestimmte Region oder Gruppe nachdenken muss, sondern um ein Problem, mit dem die gesamte Menschheit konfrontiert ist. Aus der Perspektive der Massenerhaltung verschwindet Kohlenstoff nicht, sondern kann in eine vorteilhaftere Existenzform umgewandelt werden. Bisher ist nicht bekannt, welches Umwandlungspotenzial CO2 besitzt und welche Einsatzmöglichkeiten es bietet. Alles hängt von der menschlichen Vorstellungskraft ab, die die Quelle von Innovation und Wandel ist.

Quellen:

Schäppi, R., Rutz, D., Dähler, F. et al. Drop-in-Kraftstoffe aus Sonnenlicht und Luft. Natur (2021).