Thermische Falle zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse
Die ETH Zürich hat eine neue Technologie entwickelt, die Sonnenlicht verwendet, um sehr hohe Temperaturen zu erreichen. Das könnte helfen, fossile Brennstoffe in der Industrie zu ersetzen.
Darstellung der thermischen Falle, bestehend aus einem Kern aus Quarzstab umgeben von einem äußeren Keramikabsorber. BIld: Casati E et al. Device 2024, bearbeitet
Um Zement, Metalle und zahlreiche Chemikalien herzustellen, sind extrem hohe Temperaturen von über tausend Grad Celsius erforderlich. Dafür werden heutzutage hauptsächlich fossile Brennstoffe wie Kohle oder Erdgas verbrannt, um diese Hitze zu erzeugen, was zu erheblichen Mengen an Treibhausgasemissionen führt. Erneuerbare Elektrizität zu verwenden, um zu heizen, ist bei solchen hohen Temperaturen leider nicht effizient. Obwohl wir uns stark in Richtung Klimaneutralität bewegen, werden industrielle Prozesse wahrscheinlich weiterhin auf fossile Brennstoffe setzen müssen, da ihre Dekarbonisierung sehr schwierig ist. Aber es könnte sich ändern.
Hohe Temperaturen für Produktionsprozesse erzeugen
Forschende der ETH Zürich haben einen Weg gefunden, um Industrien von fossilen Brennstoffen unabhängig zu machen: Ein Team unter der Leitung von Emiliano Casati, einem Wissenschaftler in der Gruppe für Energie- und Prozesssystemtechnik, und Aldo Steinfeld, einem Professor für erneuerbare Energieträger, hat eine thermische Falle entwickelt. Diese Falle nutzt Sonnenstrahlung, um die erforderlichen hohen Temperaturen für Produktionsprozesse zu erzeugen und gibt die erzeugte Hitze ab. Ein zentraler Bestandteil ist ein Quarzstab, der aufgrund seiner optischen Eigenschaften Sonnenlicht effizient absorbiert und in Wärme umwandelt.
In den Laborexperimenten verwendeten die Forschenden einen Quarzstab mit einem Durchmesser von 7,5 Zentimetern und einer Länge von 30 Zentimetern. Sie beleuchteten ihn mit künstlichem Licht, dessen Intensität der von 135-fach konzentriertem Sonnenlicht entsprach, und erzielten dabei Temperaturen von bis zu 1050 Grad Celsius. Früher konnten Forschende mit ähnlichen thermischen Fallen maximal 170 Grad Celsius erreichen.
Entwicklung von Hochtemperatur-Solaranlagen möglich?
Obwohl es Technologien gibt, um Sonnenenergie zu konzentrieren, wie in großen Solarkraftwerken in Spanien, den USA und China, arbeiten diese normalerweise bei Temperaturen bis zu 600 Grad Celsius. Bei höheren Temperaturen steigt der Wärmeverlust durch Abstrahlung, was die Effizienz der Anlagen verringern würde. Ein großer Vorteil der thermischen Falle der ETH-Forscher ist, dass sie die Wärme einfängt und die Abstrahlung minimiert.
„Unser Ansatz verbessert den Wirkungsgrad der Absorption von Sonnenlicht erheblich“, wird Casati in einer Pressemitteilung zitiert. „Wir sind deshalb zuversichtlich, dass diese Technologie die Entwicklung von Hochtemperatur-Solaranlagen ermöglicht“, sagte der Wissenschaftler.
Er erwähnt jedoch, dass detaillierte technisch-wirtschaftliche Analysen noch ausstehen würden. Diese wären über den Rahmen der aktuellen Experimentalstudie hinausgegangen, die von den Forschenden in der Fachzeitschrift „Device“ veröffentlicht wurde.
Dekarbonisierung der Energie erforderlich
Casati gab an, dass er an der ETH Zürich weiterhin Forschung betreibe, um die Methode zu optimieren. Denn: Eines Tages könnte die Technologie möglicherweise nicht nur die Stromproduktion, sondern auch die Dekarbonisierung energieintensiver Industriezweige in großem Maßstab ermöglichen. Er betonte, dass zur Bekämpfung des Klimawandels eine generelle Dekarbonisierung der Energie erforderlich sei und darauf hin, dass Energie oft nur mit Strom assoziiert werde, obwohl tatsächlich etwa die Hälfte der Energie in Form von Wärme verbraucht werde.
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