Mit Sonnenenergie zu sehr hohen Temperaturen

F¨¹r die Herstellung von Zement, Metallen und vielen Chemikalien sind sehr hohe Temperaturen von ¨¹ber tausend Grad Celsius n?tig. Um diese Hitze zu erreichen, werden derzeit meist fossile Brennstoffe verbrannt: Kohle oder Erdgas, wodurch grosse Mengen an Treibhausgasen freigesetzt werden. Mit erneuerbarer Elektrizit?t zu heizen ist keine Alternative, da dies bei diesen hohen Temperaturen ineffizient w?re. Obwohl ein Grossteil unserer Wirtschaft und Gesellschaft in den n?chsten Jahrzehnten klimaneutral werden soll, werden diese Industrieprozesse wohl auch in n?chster Zeit mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Sie gelten als schwer dekarbonisierbar.

Forschende der ETH Z¨¹rich zeigen nun einen Weg auf, um diese Industrien unabh?ngig zu machen von fossilen Brennstoffen: Das Team um Emiliano Casati, Wissenschaftler in der Gruppe f¨¹r Energie- und Prozesssystemtechnik, und Aldo Steinfeld, Professor f¨¹r erneuerbare Energietr?ger, entwickelten eine sogenannte thermische Falle. Sie erzeugt mit Hilfe von Sonnenstrahlung die f¨¹r die Produktionsprozesse ben?tigten hohen Temperaturen und gibt diese Hitze auch ab. Wesentlicher Bestandteil ist ein Quarzstab, der dank seinen optischen Eigenschaften Sonnenlicht effizient absorbieren und in W?rme umwandeln kann.

In den Laborexperimenten hatte dieser Quarzstab einen Durchmesser von 7,5 Zentimetern und war 30 Zentimeter lang. Die Forschenden beschienen ihn mit k¨¹nstlichem Licht, dessen Intensit?t 135-fach konzentriertem Sonnenlicht entsprach, und erreichten damit Temperaturen bis zu 1050 Grad Celsius. Fr¨¹here Studien anderer Forschender erzielten mit solchen thermischen Fallen maximal 170 Grad.

Zwar gibt es schon heute Technologien, um Sonnenenergie zu konzentrieren. Unter anderem in Spanien, den USA und China stehen grosse konzentrierende Solarkraftwerke zur Elektrizit?tsgewinnung. Diese Anlagen arbeiten in der Regel bei Temperaturen von bis zu 600 Grad. Bei h?heren Temperaturen nimmt der W?rmeverlust durch Abstrahlung zu und w¨¹rde die Effizienz der Anlagen verringern. Ein wesentlicher Vorteil der thermischen Falle der ETH-Forschenden ist, dass sie die W?rme einf?ngt und die Abstrahlung auf ein Minimum reduziert.

Hochtemperatur-Solaranlagen

?Unser Ansatz verbessert den Wirkungsgrad der Absorption von Sonnenlicht erheblich?, sagt Casati. ?Wir sind deshalb zuversichtlich, dass diese Technologie die Entwicklung von Hochtemperatur-Solaranlagen erm?glicht.? Detaillierte technisch-wirtschaftliche Analysen st¨¹nden allerdings noch aus, sagt er. Sie h?tten den Rahmen der aktuellen Experimentalstudie gesprengt, die die Forschenden in der Fachzeitschrift externe SeiteDevicecall_made ver?ffentlicht haben.

Casati forscht an der ETH Z¨¹rich weiter, um die Methode zu optimieren. Eines Tages k?nnte die Technologie es erm?glichen, Sonnenenergie nicht nur f¨¹r die Stromproduktion, sondern auch f¨¹r die Dekarbonisierung von energieintensiven Industriezweigen in grossem Stil zu nutzen. ?Um den Klimawandel zu bek?mpfen, m¨¹ssen wir Energie generell dekarbonisieren?, sagt Casati. ?Oft denkt man bei Energie nur an Strom, aber tats?chlich verbrauchen wir etwa die H?lfte unserer Energie in Form von W?rme.?