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Strom aus der Wüste
Die Sonne geht auch für Zement auf
Die Zementherstellung erfordert viel Energie

Zement hält die gebaute Welt zusammen. Das Bindemittel für Beton und andere Baustoffe ist, am globalen Produktionsvolumen gemessen, eines der weltweit wichtigsten Wirtschaftsgüter.

Doch die Herstellung von Zement verbraucht enorme Mengen an Energie - und diese wird zum grossen Teil aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe gewonnen. Forscher des Paul Scherrer Instituts und des weltweit tätigen Schweizer Zementherstellers Holcim wollen dies ändern. Mit konzentrierter Sonnenenergie soll aus kohlenstoffreichen Abfällen hochwertiger und klimaschonender Brennstoff für die Zementöfen der Zukunft erzeugt werden.

In einem mehrjährigen Projekt mit Holcim und der ETH Zürich haben die PSI-Forschenden erste Schritte zur Herstellung von "solarem Zement" getan.Die Forscher verwendeten einen am PSI entwickelten Solarreaktor, in den das Sonnenlicht mittels Spiegel mit der Intensität von mehreren tausend Sonnen hineingelenkt wird. In diesem solar beheizten Ofen werden Temperaturen von bis zu 1'200 Grad Celsius erreicht. So lassen sich minderwertige Kohle, Biomasse oder kohlenstoffreiche Abfälle wie beispielsweise Plastik- und Reifenschnitzel oder Klär- und Industrieschlamm unter Zugabe von Wasserdampf vergasen. Das daraus entstehende Gas besteht zur Hauptsache aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, ein Gemisch, das Fachleute als Synthesegas bezeichnen. Dieses Synthesegas ist ein hervorragender Brennstoff, der zur Befeuerung von Zementöfen eingesetzt werden kann. Ein besonderer Vorteil des solaren Verfahrens ist, dass im Synthesegas bis zu 40 Prozent mehr Energie enthalten ist als in den als Ausgangsstoffen verwendeten Abfällen.

Die zusätzliche Energie wird nämlich von der Sonne geliefert und bleibt nach der Vergasung im Synthesegas gespeichert. Dank des solaren Anteils fällt die Klimabilanz des so hergestellten Synthesegases deutlich günstiger aus als bei den etablierten Vergasungsverfahren

In der Plataforma Solar de Almeria (Spanien) konzentrierten etwa 75 Spiegel Sonnenlicht auf die PSI/Holcim-Pilotanlage zur Synthesegasproduktion aus kohlenstoffhaltigen Materialien. Der helle Fleck am Turm markiert die Stelle, an der der Solarreaktor platziert wurde. Auf diese Stelle haben die Spiegel das Sonnenlicht fokussiert.

Bei der Entwicklung des solartechnischen Verfahrens mussten die PSI-Forscher in kleinen Schritten vorgehen. Erst wurde die solare Vergasung in einem Reaktor auf Labormassstab getestet. Statt natürlicher Sonnenstrahlung diente der Hochfluss-Solarsimulator des PSI als Energiequelle. Im Solarsimulator ist man vor den Launen des Wetters gefeit: 10 Xenon-Lampen liefern hier, auf eine kleine Fläche konzentriert, die Strahlungsintensität von bis zu 10'000 Sonnen.

Für Experimente, die sehr hohe Temperaturen und exakte Reproduzierbarkeit verlangen, ist diese Anlage äusserst wertvoll.

Feuerprobe in Almeria

Doch dann musste der Schritt aus dem Labor gewagt werden. Dazu bauten die Wissenschaftler einen Solarreaktor mit einer rund 25 Mal grösseren Leistung und setzten diesen der Energieflut einer weltweit einzigartigen Anlage aus, der Plataforma Solar von Almeria in Spanien. Hier wird die Sonne mit Hilfe von 300 drehenden Spiegeln auf die Spitze eines Turms konzentriert.

Für ihre Experimente platzierten die Forscher den Solarreaktor auf einer Plattform bei halber Turmhöhe und konzentrierten darauf das Sonnenlicht mit Hilfe von 75 Spiegeln. Später einmal, wenn ein solcher "Solarofen" kommerziell betrieben würde, würde sein Standort an der Turmbasis sein, um den Zugang beim Betrieb zu erleichtern. Das konzentrierte Sonnenlicht würde dann mit einem Spiegel von der Turmspitze hinuntergelenkt.

Die Tests in Almeria haben die Tauglichkeit des Solarreaktors für die Vergasung einer Vielzahl sehr verschiedener kohlenstoffhaltiger Abfallsorten unter Beweis gestellt. Damit wurde weltweit erstmalig in dieser Grössenordnung eine solare Synthesegasproduktion erfolgreich und reproduzierbar durchgeführt. Insgesamt fanden die Forscher heraus, dass es das Verfahren erlaubt, auch grossstückige und feuchte Abfälle ohne Vorbehandlung einzusetzen und dass die Produktionsrate des Synthesegases erheblich vom eingesetzten Material abhängt. In Zukunft wollen die Wissenschaftler weitere Details verbessern. So zum Beispiel die Art der Wasserdampfzufuhr in den Reaktor.

Der Wasserdampf für die Vergasung wird bisher durch 4 Leitungen direkt in das zu vergasende Material geleitet. Erste Versuche in Almeria deuten darauf hin, dass eine feinere Verteilung der Dampfzufuhr den Vergasungsprozess noch effizienter machen kann. An diesen und anderen Einzelheiten müssen die Forscher also noch feilen, um das Optimum aus ihrer Technik herauszuholen. Langfristiges Ziel ist der Bau eines Solarreaktors mit genügender Leistung, um einen erheblichen Teil des Energiebedarfs eines kommerziellen Zementofens zu decken. Neben der Anwendung als Brennstoff in der Zementproduktion, die bei diesem Projekt im Vordergrund steht, kann das solar produzierte Synthesegas zu hochwertigen und leicht speicherbaren Energieträgern weiterverarbeitet werden. Ein vielversprechendes Beispiel dafür stellt die Umwandlung zu flüssigen Treibstoffen wie Benzin dar, die auf dem längst erprobten Fischer-Tropsch-Verfahren beruht.

Quelle: Text Paul Scherrer Institut PSI , Februar 2014
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