Future Mobility

Zwei Technologien, die es in sich haben

Zwei Städte, zwei Ansätze: Treibstoff, der aus Luft und Sonne gemacht wird, und Brennstoffzellen-Katalysatoren, die doppelt so gut sind, wie handelsübliche. Zwei renommierte Forschungseinrichtungen widmen sich dem Thema Nachhaltigkeit auf ihre eigene Art und Weise. Während die ETH Zürich mit einer Testanlage untersucht, wie mittels Sonnenhitze nachhaltiger Kraftstoff hergestellt werden kann, versucht die Technische Universität München (TUM) die Katalyse in Brennstoffzellen zu verbessern.

Von

Die Forschungsanlage steht auf dem Dach des ETH-Gebäudes an der Sonneggstrasse.

Forschen an der Sun-to-Liquid-Technologie

Im Prinzip, so die Idee der Forschenden, benötigt die Demonstrationsanlage auf dem Dach der ETH Zürich lediglich Sonnenlicht und Luft, um zur solaren Raffinerie zu werden. Dabei wird zunächst energiereiches Synthesegas hergestellt - die Vorstufe von Kerosin und anderen flüssigen Treibstoffen. Die Anlage zieht sich mithilfe der Sonne die benötigten Rohstoffe (Wasser und CO2) mithilfe des Air-Capture-Technik direkt aus der Umgebungsluft.

© ETH Zürich

Der Parabolspiegel bündelt das Licht und leitet es in die beiden Reaktoren in der Mitte der Anlage.

„Mit dieser Anlage beweisen wir, dass die Herstellung von nachhaltigem Treibstoff aus Sonnenlicht und Luft auch unter realen Bedingungen funktioniert“, erklärt Projektleiter Aldo Steinfeld von der ETH Zürich. Es sei das erste Mal, dass die gesamte thermochemische Prozesskette unter realen Bedingungen demonstriert werde. Selbst unter eher sonnenarmen Bedingungen produziert die kleine Anlage schon so viel Synthesegas, dass daraus pro Tag ein Deziliter Kerosin hergestellt werden kann.

© ETH Zürich

Die Forschungsanlage produziert Syngas, welches mittels mittels konventioneller Methanol- oder Fischer-Tropsch-Synthese in flüssige Treibstoffe weiterverarbeitet werden kann.

In nur drei Schritten zum Synthesegas

Die neue Anlage integriert drei thermochemische Umwandlungsprozesse. Der erste ist die Abscheidung von CO2 und Wasser aus der Luft durch einen chemischen Adsorption-Desorption-Prozess. Der Parabolspiegel der Anlage liefert dann die nötige Hitze und Energie für die Folgeschritte: Er konzentriert das Sonnenlicht um das 3.000-Fache und erzeugt so im Inneren des Solarreaktors eine Temperatur von 1.500 Grad Celsius.

© ETH Zürich

Rund einen Deziliter Treibstoff kann zurzeit pro Tag produziert werden.

Im Inneren befindet sich eine spezielle keramische Struktur aus Ceriumoxid. Dort werden in einer zweistufigen Reaktion - dem sogenannten Redox-Zyklus - Wasser und CO2 gespalten und Syngas hergestellt. Diese Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid kann dann mittels konventioneller Methanol- oder Fischer-Tropsch-Synthese in flüssige Treibstoffe weiterverarbeitet werden. „Das thermochemische Verfahren nutzt das gesamte Sonnenspektrum und läuft bei hohen Temperaturen ab“, erklärt Steinfeld. „Dies ermöglicht schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten und einen hohen Wirkungsgrad.“

Ein Quadratkilometer für 20.000 Liter Kerosin

Die Forscher arbeiten in Zürich daran, die die grundsätzliche Machbarkeit zu demonstrieren. In großem Maßstab soll dann in der Nähe von Madrid eine große Solaranalage errichtet werden. Das nächste Ziel ist es dann, die Technologie auf industrielle Größe zu skalieren und Wettbewerbsfähigkeit zu erreichen. „Ziel ist, dass wir in Zukunft mit unserer Technologie effizient nachhaltige Treibstoffe produzieren und so zur Verringerung des weltweiten CO2-Ausstoßes beitragen“, sagt Philipp Furler von Synhelion, einer Ausgründung der ETH Zürich.

https://youtu.be/hG9BOxUIqEk

Nach Einschätzung der Forscher könnte eine Solaranlage von einem Quadratkilometer Fläche pro Tag 20.000 Liter Kerosin produzieren. „Theoretisch kann man mit einer Anlage auf der Fläche der Schweiz oder eines Drittels der Mojave-Wüste in Kalifornien den Kerosin-Bedarf der gesamten Luftfahrt decken“, so Furler.

Verbesserte Katalyse in Brennstoffzellen

Während die ETH Zürich direkt beim Treibstoff ansetzt, verfolgt das TUM in München einen anderen Ansatz. Einem interdisziplinären Forschungsteam ist es gelungen, die Größe von Platin-Nanopartikeln für die Katalyse in Brennstoffzellen so zu optimieren, dass die neuen Katalysatoren doppelt so gut sind, wie die derzeit besten kommerziell verfügbaren Verfahren, vermeldet die TUM.

Elektroautos wie der Renault Zoe, Nissan Leaf, BMW i3 oder das Tesla Model 3 haben eines gemeinsam: Sie benötigen Lithium-Ionen-Batterien (Akkus) zur Speicherung von Strom. Auch Plug-in-Hybride besitzen neben einem verkleinerten Verbrennungsmotor einen Elektroantrieb, der ein Medium zum Speichern von Energie benötigt.

Die Vision der TUM-Forscher: Batterien könnten auch aus Brennstoffzellen (Fuel Cells) den Strom für Elektroautos liefern. Sie verbrennen Wasserstoff - ein Gas, das zum Beispiel aus überschüssigem Strom von Windkraftwerken erzeugt werden könnte. Allerdings ist das in Brennstoffzellen verwendete Platin selten und extrem teuer, was die Einsatzmöglichkeiten bislang stark einschränkte.

Ein Forschungsteam der TU München um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie, Aliaksandr Bandarenka, Professor für Physik der Energiewandlung und -speicherung und Alessio Gagliardi, Professor für Simulation von Nanosystemen zur Energieumwandlung, hat nun die Größe der Platin-Partikel so optimiert, dass sie doppelt so leistungsfähig sind wie die besten derzeit kommerziell verfügbaren Verfahren.

In Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, dabei wird Elektrizität gewonnen. Um diesen Prozess optimal zu gestalten, braucht es raffinierte Katalysatoren auf den Elektroden. Platin spielt dabei für die Sauerstoff-Reduktions-Reaktion eine zentrale Rolle.

© TUM

Theoretischen Berechnungen zufolge sollten Nanopartikel mit 40 Atomen dieser Groesse die optimale Katalysatorwirkung entfalten. Messungen im Katalyseforschungszentrum der TUM zeigten, dass diese Nanopartikel tatsaechlich doppelt so aktiv sind, wie die besten handelsueblichen Brennstoffzellen-Katalysatoren. 

Ein Platin-Ei von einem Nanometer Größe

In Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, dabei wird Elektrizität gewonnen. Um diesen Prozess optimal zu gestalten, braucht es raffinierte Katalysatoren auf den Elektroden. Platin spielt dabei für die Sauerstoff-Reduktions-Reaktion eine zentrale Rolle.

Um die ideale Lösung zu finden, modellierte das Team das Gesamtsystem am Computer. Die zentrale Frage: Wie klein kann ein Häuflein Platin-Atome werden, um noch katalytisch hochaktiv sein zu können. „Es zeigte sich, dass es bestimmte optimale Platin-Haufengrößen geben könnte“, erklärt Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der TU München.

Ideal sind danach etwa einen Nanometer große Partikel, die rund 40 Platinatome enthalten. „Platinkatalysatoren dieser Größe haben ein kleines Volumen, aber eine große Zahl an stark aktiven Stellen, was zu einer hohen Massenaktivität führt“, sagt Bandarenka.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

Einen wichtigen Anteil am Erfolg der Forschenden hat die interdisziplinäre Zusammenarbeit am Zentrum für Katalyseforschung (CRC). Theoretische Fähigkeiten bei der Modellierung, gemeinsame Diskussionen sowie physikalisches und chemisches Wissen aus Experimenten führen letztlich zu einem Modell, wie sich Katalysatoren idealerweise in Form, Größe und Größenverteilung der beteiligten Komponenten designen lassen.

Zudem gibt es am CRC auch das Knowhow, um die berechneten Platin-Nanokatalysatoren auch herzustellen und experimentell zu testen. „Dahinter steckt viel anorganische Synthesekunst“, sagt Kathrin Kratzl, neben Batyr Garlyyev und Marlon Rück, eine der drei Erstautoren der Studie.

Doppelt so gut wie der beste handelsübliche Katalysator

Das Experiment bestätigte die theoretischen Vorhersagen exakt. „Unser Katalysator ist doppelt so gut wie der beste handelsübliche Katalysator“, sagt Garlyyev. Noch reiche das nicht für kommerzielle Anwendungen aus, hier sei eine Reduzierung der Platinmenge von jetzt 50 auf bis zu 80 Prozent notwendig.

Neben sphärischen Nanopartikeln erhoffen sich die Forschenden von weitaus komplexeren Formen eine höhere katalytische Aktivität. Genau für solche Modellierungen sind die jetzt etablierten Rechenmodelle ideal. „Allerdings erfordern komplexere Formen noch komplexere Synthesemethoden“, sagt Bandarenka. Gemeinsame rechnerische und experimentelle Studien werden dabei in Zukunft immer wichtiger.

Folgen Sie unserem Magazin auf: @firmenwagen 

Folgen Sie dem Autor auf: @lukasklamert