Solarchemie Sonnenofen gießt Energie in Metall

Die Energie der Sonne kann nicht nur mit Solarzellen, sondern auch mit sogenannten Sonnenöfen genutzt werden. In der Hitze konzentrierter Strahlung entsteht unscheinbares Zinkpulver, das verblüffende Möglichkeiten bietet.
Von Bernd Schröder

Krise? Welche Krise? Mag der Ölpreis doch ins Unermessliche klettern: Die Sonne strahlt jährlich bis zu 2500 Kilowattstunden pro Quadratmeter Energie auf die Erdoberfläche ab. Das sollte eigentlich reichen. Doch zu den derzeit immer noch relativ hohen Kosten von Solaranlagen gesellt sich ein weiteres, grundsätzlicheres Problem: Es ist keineswegs einfach, die Sonnenenergie effizient zu speichern und zu transportieren.

Eine mögliche Lösung liegt in der sogenannten Solarchemie. Dabei liefert Sonnenstrahlung die Prozesswärme für einen chemischen Reaktor, in dem beispielsweise ein Treibstoff synthetisiert wird. Während bislang hauptsächlich so hergestellter Wasserstoff als Energieträger der Zukunft gehandelt wurde, haben Schweizer Forscher einen anderen Vorschlag: Gewöhnliches Zink soll es sein, das mit Hilfe von Sonnenkraft erzeugt und dann an beliebige Orte transportiert werden könnte.

Denn die Vision der Wasserstoff-Wirtschaft mag Politiker rund um die Welt entzücken; Skeptiker kritisieren jedoch, dass insbesondere das Problem der Speicherung noch nicht befriedigend gelöst ist: Man muss zunächst einmal sehr viel Energie aufwenden, um das Gas zu Transport- und Lagerzwecken zu verflüssigen.

Ganz anders Zink: Das Metall liegt bei Temperaturen bis zu 420 Grad Celsius in fester Form vor. Nicht nur kann es in einer exothermen Reaktion - also unter Abgabe von Wärme - bei rund 350 Grad Celsius Wasser spalten und hochreinen Wasserstoff für Wasserstoff- Sauerstoff-Brennstoffzellen liefern. Bereits Thomas Alva Edison wusste, dass aus Zink und Sauerstoff auch direkt Elektrizität gewonnen werden kann. Und: Zink-Luft-Brennstoffzellen haben gegenüber konventionellen Energiequellen deutlich höhere Energieinhalte. Sie sind zehnmal so hoch wie bei einem Bleisystem und rund dreimal so hoch wie bei einem Lithiumsystem.

Im Labor für Solartechnik am Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI) wird seit mehr als zehn Jahren auf dem Gebiet der Solarchemie geforscht - unter anderem entschärfen die Schweizer in ihren Sonnenöfen Sondermüll wie den mit toxischen Schwermetalloxiden kontaminierten Lichtbogen-Ofenstaub. Und seit 2001 beschäftigen sie sich auch mit der Frage, ob sich über Sonnenkraft gewonnenes Zink als Energieträger eignet. Der EU war das SOLZINC getaufte Projekt ein Förderbudget von 1,3 Millionen Euro wert - insgesamt investierten sechs Partner aus fünf Ländern drei Millionen Euro.

In einem typischen Laborexperiment wird ein "Two Cavity"(Zwei-Kammern)-Reaktor mit einem Zinkoxid-Pulver-Kohlenstoff-Gemisch beschickt. Der Reaktor wird geschlossen, mit Stickstoff gespült und zum Aufheizen in den Fokus einer so genannten "beam down"-Optik gerückt. Nach dem Versuch ist das Reaktionsbett praktisch verschwunden, denn die Produkte Zink und Kohlenmonoxid liegen bei den vorherrschenden Temperaturen gasförmig vor. Das gasförmige Zink kondensiert dann nahezu hundertprozentig im nachgeschalteten Kühler zu feinem Staub.

Nach erfolgreichen Tests mit kleineren Aufbauten haben die Wissenschaftler jetzt am Weizmann Institute of Science (WIS) in Israel eine 300-kW-Pilotanlage in Betrieb genommen. Das Institut verfügt über ein Solarfeld mit 64 computergesteuerten Spiegeln von je 56 Quadratmetern Fläche, die das Sonnenlicht unabhängig von der Änderung der Sonnenposition am Himmel immer auf den gleichen Punkt lenken können.

Christian Wieckert vom PSI, wissenschaftlicher Koordinator des Projekts, zeigt sich zufrieden mit der Pilotanlage: "In ersten Versuchen haben wir etwa 30 Prozent der einfallenden Sonnenenergie für die chemische Umsetzung genutzt und damit 45 Kilo Zink pro Stunde produziert." Damit seien die erhofften Ziele bezüglich Durchsatz und Effizienz schon jetzt fast komplett erreicht worden. Größere industrielle Anlagen sollen später eine Effizienz von bis zu 60 Prozent erreichen.

Photovoltaik-Anlagen setzen rund 20 Prozent der Sonnen- in elektrische Energie um. Allerdings hat die Sache noch einen kleinen Schönheitsfehler: Die thermische Spaltung von Zinkoxid in Zink und Sauerstoff benötigt eigentlich Temperaturen von über 1750 Grad Celsius. Dieser Wert lässt sich durch die Zugabe kohlenstoffhaltiger Materialien auf 1000 bis 1400 Grad Celsius senken - doch dadurch wird wieder Kohlendioxid freigesetzt.

Würde dieses Zink dann weiter in Zink-Luft-Zellen zur Stromerzeugung benutzt, läge der CO2-Ausstoß pro Kilowattstunde etwa halb so hoch wie derjenige moderner Kohlekraftwerke. Die Wissenschaftler planen daher, den Kohlenstoff in Form von Biomasse zuzuführen - zurzeit mit Buchenholzkohle verwendet -, was den kompletten Prozess praktisch CO2-neutral machen würde.

Sollte Zink in weiteren Versuchen sein Potential bestätigen, würde das die künftige Energielandschaft um eine weitere Option bereichern. Auch von den Kosten her ist der Ansatz nach Ansicht von PSI-Solarchemie-Chef Aldo Steinfeld interessant - zumindest wenn man in die Berechnung die Kosten einer weiteren Verminderung des Kohlendioxid-Ausstoßes einberechnet.

Der Autor arbeitet im Rahmen eines Forschungsprojekts in der Thermochemie-Gruppe an der Universität Porto, Portugal.

© Technology Review , Heise Zeitschriften Verlag, Hannover

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