Sonne generiert Prozesswärme und Treibstoffe

Industriebetriebe brauchen zur Umsetzung ihrer Dekarbonisierungsstrategien Innovationen im Bereich Prozesswärme. Das 2016 gegründete ETH-Start-up Synhelion arbeitet am Upscaling eines Verfahrens, das Solarenergie unter anderem für Hochtemperaturprozesse nutzbar macht. 

Industrielle Prozesswärme wird heute vorwiegend mit der Verbrennung von Öl, Gas oder Kohle bereitgestellt. Unternehmen mit einer Roadmap zur Dekarbonisierung suchen nach einem Ersatz für die fossilen Energieträger. Wie dieser aussehen kann, hängt unter anderem vom Temperaturbereich ab. Prozesse tiefer und mittlerer Temperatur können zum Beispiel mit einer direkten Nutzung von Solarwärme oder dem Einsatz von Wärmepumpen erneuerbar gemeistert werden. Die Bereitstellung hoher Temperaturen von mehr als 160 Grad ist aber auch unter Beizug von Wärmepumpen bisher nicht möglich. 

Ein neuer Ansatz entstand vor zehn Jahren an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich und wird unterdessen vom Start-up Synhelion kommerzialisiert. Die Innovation ist eine Weiterentwicklung von Solarwärmekraftwerken, bei denen das Sonnenlicht durch ein Spiegelfeld auf einen Punkt gebündelt wird, womit sehr hohe Temperaturen erreicht werden. Im Fall von Synhelion wird der zentrale Receiver bzw. das darin zirkulierende Wärmeträgermedium – ein Gasgemisch aus Kohlendioxid und Wasser – auf 1500 Grad erhitzt.  

Die Hochtemperaturwärme kann direkt als Prozesswärme eingesetzt werden – oder sie wird in einem mehrstufigen Prozess zur Herstellung von synthetischen Treibstoffen herangezogen: Im ersten Prozessschritt wird hierbei in einem thermochemischen Reaktor aus Wasser, Kohlendioxid und fallweise Biomethan sogenanntes Synthesegas hergestellt. Aus dem Gas wird im zweiten Schritt unter Verwendung des Fischer-Tropsch-Verfahrens flüssiges Rohöl produziert. Aus diesem lassen sich – Schritt 3 – synthetische Treibstoffe wie Kerosin, Benzin und Diesel gewinnen.  

«Unsere Technologie zielt in erster Linie auf die Herstellung von nachhaltigen Solartreibstoffen für Verkehrssektoren ab, bei denen eine Elektrifizierung nicht möglich ist, wie beispielsweise im Flugsektor», sagt Mitgründer und Co-CEO Gianluca Ambrosetti. Gegenwärtig entsteht in Jülich (Deutschland) unter dem Namen DAWN eine industrielle Produktionsanlage. Mit einer Spiegelfläche von 1500 m² wird sie jährlich einige Tausend Liter Solartreibstoff zu Demonstrationszwecken herstellen. 2025 soll dann in Spanien die erste kommerzielle Anlage mit einer Jahresproduktion von 1.25 Millionen Litern in Betrieb gehen. Bis 2030 strebt Synhelion eine Produktionskapazität von 875 Millionen Litern an. Mit der Treibstoffmenge liesse sich die Hälfte des Schweizer Kerosinbedarfs decken. 

Industrieunternehmen mit Bedarf an Hochtemperatur-Prozesswärme könnte die innovative Technologie ebenfalls erstmals eine solare Alternative bieten: Der patentierte Solar-Receiver macht in Kombination mit thermischen Wärmespeichern solare Prozesswärme im Bereich von 1000 bis 1500 Grad rund um die Uhr verfügbar. Die Integration der Technologie in bestehende Anlagentechnologie ist allerdings mit erheblichen Hürden verbunden. Für eine wirtschaftliche Nutzung ist zudem ein sehr sonnenreicher Standort mit hinreichend Platz erforderlich. Die Nutzung von solarer Hochtemperatur-Prozesswärme dürfte somit auf spezielle Anwendungsfälle beschränkt bleiben. 

Um das Potenzial einer direkten Nutzung von Solarwärme zu evaluieren, hat Synhelion mit dem global tätigen mexikanischen Zementhersteller CEMEX zusammengespannt. Die Zementherstellung ist für rund acht Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Die Branche kann somit einen wirksamen Beitrag zu Erreichung der weltweiten Klimaziele leisten. Eine 2020 abgeschlossene Studie der beiden Unternehmen hat gezeigt, dass die Dekarbonisierung der Zementherstellung mittels Solarwärme grundsätzlich möglich ist.  

2022 wurde auf einer Anlage bei Madrid die Herstellung von ‘Solarzement’ in einem Batch-Prozess demonstriert. Im nächsten Schritt soll das Verfahren auf einer Pilotanlage in einem Zementwerk als kontinuierlicher Prozess umgesetzt werden. Das ETH-Start-up und CEMEX haben das ehrgeizige Ziel, bis Ende des Jahrzehnts mit einer kommerziellen Anlage am Markt zu sein. Neuanlagen werden gemäss aktuellen Schätzungen mit fossil beheizten Anlagen zur Zementherstellung konkurrenzfähig sein. Mittelfristig könnte die Technologie für solarthermisch betriebene Zementwerke mittels Lizenzvereinbarungen ein branchenweite Prozessinnovation anstossen. 

Der Schlüsselprozess bei der Zementherstellung ist die Verarbeitung von Kalkstein und weiteren Ausgangsstoffen zu Klinker, jenem Stoff, der in Zement als Bindemittel dient. Der hierzu notwendige Brennprozess erfolgt bisher in fossil beheizten Drehrohröfen bei 1400 Grad. Die Wärme aus dem Sonnenheizwerk von Synhelion hat somit die erforderliche Temperatur. Die Integration der Solarwärme in den angestammten Prozess der Zementherstellung sei anspruchsvoll, aber lohnend, betont Gianluca Ambrosetti: «Unsere Technologie hat das Potenzial, den CO₂-Fussabdruck der Zementproduktion drastisch zu reduzieren.» 

Für Zementhersteller ist das ein vielversprechender Ansatz. Die fossile Beheizung der Drehrohröfen ist nämlich nur für rund einen Drittel der Treibhausgasemissionen der Zementproduktion verantwortlich. Die restlichen Emissionen entstehen nicht verbrennungsbedingt, sondern entweichen im Brennprozess aufgrund chemischer Reaktionen aus dem Kalkstein. Mit dem innovativen Verfahren lassen sich diese zusätzlichen CO₂-Emissionen relativ einfach einfangen, und das zurückgewonnene CO₂ kann einer neuen Verwendung zugeführt werden. Als Fernziel schwebt dem Zürcher Jungunternehmen vor, das CO₂ für die Herstellung des synthetischen Treibstoffs zu nutzen.  

Synhelion beschäftigt 40 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. In mehreren Finanzierungsrunden hat das Start-up 60 Millionen Franken eingeworben. Unter den Geldgebern sind unter anderem Investoren, die die Technologie zur Dekarbonisierung ihrer Geschäftstätigkeit nutzen wollen: die Lufthansa-Gruppe mit der Schweizer Tochter SWISS, die Autohändlerin AMAG Group, der Stahlkonzern SMS Group und CEMEX.