Treibstoffe aus konzentriertem Sonnenlicht

Aus Sonnenlicht nachhaltige Kraftstoffe zu gewinnen – ist das möglich? Mit seiner Pilotanlage im Brainergy Park in Jülich beweist das Schweizer Scale-up Unternehmen Synhelion, eine Ausgründung der ETH Zürich, genau das. In der Solar-to-Fuel-Anlage werden aus Wasser sowie CO2 und Methan synthetische Treibstoffe hergestellt.

Am 1. November 2023 startete das von der EU und der Schweiz kofinanzierte europäische Forschungsprojekt SUN-TO-LIQUID II. Ziel des Projekts sei die Demonstration der Skalierbarkeit und hohen Effizienz bei der Herstellung von nachhaltigem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff aus Wasser, CO2 und konzentriertem Sonnenlicht durch chemische Hochtemperaturumwandlung.

Der Verkehrssektor wird eine wichtige Rolle beim Übergang zu einer Gesellschaft spielen, die zu 100 Prozent mit erneuerbaren Energien lebt. Zwei zentrale Herausforderungen zur Erreichung dieses Ziels sind laut Projektaussage eine größere Rohstoffbasis für die Erzeugung erneuerbarer Energien sowie die langfristige Entwicklung

nachhaltiger Kraftstofftechnologien für die Luftfahrt. Während die Elektrifizierung und wahrscheinlich auch Wasserstoff eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung des Verkehrs spielen werden, werde es weiterhin einen Bedarf an energieintensiven flüssigen Kohlenwasser-Kraftstoffen, insbesondere für die Luftfahrt und Schifffahrt geben. Die erforderlichen Biokraftstoffe der ersten Generation können die benötigten Mengen aufgrund von Verfügbarkeits- und Nachhaltigkeitsproblemen nicht decken. Daher werden skalierbare Technologien erforderlich sein, um den längerfristigen Kraftstoffbedarf zu decken. Die Sonneneinstrahlung ist laut SUN-TO-LIQUD II die am besten skalierbare Form der erneuerbaren Energie.

Das SUN-to-LIQUID II-Konsortium besteht aus sechs Partnern aus fünf europäischen Ländern (Spanien, Deutschland, der Schweiz, den Niederlanden und Frankreich), unter der Koordination des Bauhaus Luftfahrt e. V.: ETH Zürich, DLR, Fundacion IMDEA Energía, HyGear BV sowie dem ETH-Spin-off Synhelion SA.

Synhelion

Synhelion, laut eigener Aussage Branchenführer in der Hochtemperatur-Solarchemie, hält die exklusiven Lizenzen für die Vermarktung des Sun-to-Liquid-Verfahrens. Das Cleantech-Unternehmen ist Pionier für Solartreibstoffe, für deren Herstellung der Verbrennungsprozess umgekehrt wird. Dass sich der Herstellungsprozess ausschließlich mit Solarwärme antreiben lässt, habe erstmals im Jahr 2019 in einer Mini-Raffinerie auf dem Dach der ETH-Zürich bewiesen werden können. Seither arbeite Synhelion daran, die Technologie zu skalieren und kommerziell nutzbar zu machen. Mit der Herstellung von solarem Synthesegas im industriellen Maßstab auf dem Multifokus-Solarturm des DLR in Jülich sei im August 2022 der letzte große technische Meilenstein für die industrielle Produktion von Solartreibstoffen erreicht worden.

Mit DAWN entsteht seit Ende 2022 auf dem Gelände des Brainergy Parks in Jülich die erste industrielle Anlage der Welt, in der synthetische Treibstoffe mit Hilfe von Solarwärme produziert werden soll. Die Einweihung von DAWN solle im Juni 2024 stattfinden. SWISS wird laut Unternehmensinformation die erste Airline sein, die mit Synhelions Solarkerosin fliegen wird.

Technologie

Die Technologie von Synhelion nutzt Hochtemperatur-Solarwärme für die Herstellung von Synthesegas, woraus anschließend in industriellen Standardprozessen flüssiger Treibstoff, wie Kerosin,

Benzin oder Diesel synthetisiert werde, der mit herkömmlichen Flugzeugtriebwerken und Verbrennungsmotoren kompatibel sei. Damit werde der CO2-Kreislauf geschlossen, da bei der Verbrennung des Sun-to-Liquids Treibstoffs nur so viel CO2 freigesetzt werde, wie zuvor für dessen Herstellung verwendet worden sei.

Die nun entstehende Demonstrationsanlage DAWN besteht aus einem 20 Meter hohen Solarturm und einem Heliostatenfeld mit einer Spiegelfläche von 1.500 m². Im Solarturm befinden sich drei von Synhelion entwickelte Innovationen: ein Solarstrahlungsempfänger (Receiver), ein thermochemischer Reaktor und ein thermischer Energiespeicher. Das Spiegelfeld bündelt die Sonnenstrahlung auf den Solarturm, diese heizt den Solarreceiver auf und wird in Hochtemperatur-Prozesswärme umgewandelt. Synhelion schreibt hier von „noch nie dagewesenen Temperaturen von über 1.500°C.“ Der aus Stahl gefertigte Receiver ist innen mit Feuerfestmaterial ausgekleidet. Der thermochemische Reaktor nutzt die Solarwärme zur Herstellung von Synthesegas. Mittels der üblichen Gas-to-Liquid-Technologie könnten dann aus dem Synthesegas Kraftstoffe erzeugt werden. Der thermische Energiespeicher soll einen kosteneffizienten Betrieb rund um die Uhr ermöglichen. Das werde aber in Jülich aufgrund der Solarbedingungen nicht möglich sein. Synhelion erwarte, dass die industrielle Demonstrationsanlage mehrere Tausend Liter Treibstoff pro Jahr produziert. An einem sonnigeren Standort könnten mit einer Anlage der gleichen Größe rund 150.000 Liter jährlich produziert werden.

„Mit DAWN möchten wir die Robustheit der Technologie in industrieller Grösse demonstrieren, aber nicht kommerziell produzieren. Die ersten Treibstoff-Batches von DAWN werden wir für relevante Showcases im Transportsektor einsetzen (wie unter anderem mit SWISS). Bevor wir DAWN gebaut haben, konnten wir unsere Technologie in der Anlage vom DLR testen.“, so Synhelion.

Die präzise Steuerungstechnik des Heliostatenfelds sei von Synhelion entwickelt und installiert worden. Beschleunigt worden sei die technische Entwicklung durch eine Kooperation mit dem Engineeringunternehmen Wood, das Synhelion den Reformierungsreaktor liefert, in dem das Synthesegas erzeugt wird. In dem Reaktor befindet sich ein Nickel-Katalysator.

„Mit DAWN legen wir den Grundstein für die industrielle Produktion von Solartreibstoffen. Die Erfahrungen, die wir dabei sammeln, werden uns beim Bau vieler weiterer und größerer Anlagen zugutekommen. Ab 2025 werden wir mit dem Bau unserer ersten kommerziellen Anlage in Spanien beginnen. Ab 2033 wollen wir eine Produktionskapazität von 1 Million Tonnen Treibstoff pro Jahr erreichen“, so Dr. Gianluca Ambrosetti, CEO und Mitgründer von Synhelion.

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