Synhelion - Aus Sonnenstrahlen wird Treibstoff

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Wenn aus Sonnenlicht Treibstoff wird

Fossile Brennstoffe sind massgebliche Treiber der Klimaerwärmung. Doch vor allem im Luftverkehr gibt es bisher keine Alternativen. Das ETH-Spin-off Synhelion hat eine Technologie entwickelt, mit der CO2-neutrale Solarkraftstoffe erzeugt werden können. Wie nah ist man an der Umsetzung?

Irene M. Wrabel

24. Mai 2024

Foto: zVg - Energiezentrum Turm: Darin befinden sich der Solarreceiver, ein thermochemischer Reaktor zur Herstellung von Synthesegas und ein thermischer Energiespeicher.

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Synhelion bringt Solartreibstoff in den Luftverkehr

Die Idee, den Verbrennungsprozess umzukehren, gibt es bereits seit den 1980-er Jahren. Doch vor rund 40 Jahren war die Weiterentwicklung dieser Technologie noch kein vordringliches Thema: Erdöl galt damals noch als eine Ressource, die in vermeintlich ausreichendem Masse zur Verfügung stand. An der ETH Zürich wurde die Forschung in diesem Bereich jedoch zu Beginn des neuen Jahrtausends wieder aufgenommen. 2014 gelang es dem Team von Professor Aldo Steinfeld erstmals, im Labor aus Wasser und Kohlendioxid (CO2) künstlichen Treibstoff herzustellen. Das war der ersehnte Durchbruch, der die Weiterentwicklung der Technologie angestossen hat.

Aktuell bauen wir in Deutschland die erste industrielle Anlage

Bilder-Slider: Solarreceiver

Das Herzstück: Der Solarreceiver liefert saubere, solare Prozesswärme mit Temperaturen von über 1500 Grad Celsius.

Foto: zVg

Synhelion ist ein Technologieunternehmen, das 2016 als Spin-off aus der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH Zürich) hervorgegangen ist. Das Ziel ist es, Solartreibstoffe zur Marktreife zu bringen. Nachhaltige Solarkraftstoffe können fossile Brennstoffe direkt ersetzen und sind mit der bestehenden globalen Kraftstoffinfrastruktur kompatibel. Mit der Technologie soll die Dekarbonisierung des Verkehrssektors unterstützt werden.

Synhelion hat Niederlassungen in Lugano, Zürich und Jülich (D). Insgesamt arbeiten an den drei Standorten 45 Mitarbeitende, 80 Prozent davon sind Ingenieure. Um die Technologie möglichst schnell voranzubringen, werden Kooperationen mit der ETH Zürich und zahlreichen anderen Forschungsinstituten wie dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gepflegt.

Bis 2033 wird eine Produktionskapazität von 1 Million Tonnen Treibstoff pro Jahr angestrebt. Das entspricht etwa der Hälfte des Schweizer Flugtreibstoffbedarfs. Die Produktionskosten sollen dann bei unter 1 Euro pro Liter liegen, was die Solartreibstoffe konkurrenzfähig machen wird. Bis 2040 ist geplant, die Produktionskapazität auf 40 Millionen Tonnen Solartreibstoff pro Jahr zu erhöhen. Damit könnte etwa die Hälfte des europäischen Flugtreibstoffbedarfs gedeckt werden.

Synthetischen Treibstoff marktreif machen

Die beiden ETH-Doktoranden Gianluca Ambrosetti und Philipp Furler wollten dieser bahnbrechenden Technologie zum Durchbruch verhelfen und gründeten bereits 2016 das Unternehmen Synhelion.

«Ihr Ziel war es, das Verfahren zu kommerzialisieren», erzählt Kommunikationschefin Carmen Murer. «Denn ihnen war schnell klar, dass darin ein grosses Potenzial schlummert. Doch solange das nur an der ETH in der Forschung verbleiben würde, konnte es auch keinen positiven Impact für die Umwelt generieren.»

Das junge Start-up möchte die Technologie zur Umsetzungsreife bringen, um massgeblich zur Reduktion der CO2-Emissionen beizutragen. Einer kleinen Anlage auf dem Dach der ETH folgten immer grössere Demonstrationen.

Einsatz unter realen Bedingungen

Heute steht Synhelion vor einem weiteren Meilenstein: «Aktuell bauen wir in Deutschland die erste industrielle Anlage. Das ist zwar immer noch eine Demonstrationsanlage, aber sie wird so viel synthetischen Treibstoff produzieren, dass er unter realen Bedingungen zum Einsatz kommen kann.»

Der Standort im nordrhein-westfälischen Jülich ist kein Zufall, denn er bietet aufgrund der zentralen Lage in Europa nicht zuletzt logistisch die idealen Voraussetzungen, um die Anlage sehr schnell zu bauen.

Doch auch die Nähe zu wichtigen Partnern wie etwa dem Institut für Solarforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gab den Ausschlag für den Standort. Für Synhelion geht es um viel. «Hier können wir erstmals zeigen, dass unsere Technologie auch in grösserem Stil funktioniert.»

So funktioniert's

Partnerschaften sind wichtig

Im Strassenverkehr spielt die Elektrifizierung eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung von CO2-Emissionen. Andere Bereiche des Transports sind jedoch schwierig zu elektrifizieren. Synhelion legt deshalb den Fokus auf die Dekarbonisierung der Luftfahrt. Eine besondere Rolle kommt der Partnerschaft mit SWISS zu. «Dort hat man erkannt, dass unsere Technologie ein riesiges Potenzial hat, um die Dekarbonisierung voranzubringen», sagt Carmen Murer. Wenn die Produktionsanlage in Jülich in Betrieb geht, wird SWISS weltweit die erste Fluggesellschaft sein, die Solartreibstoff in ihren Maschinen einsetzt. Auch wenn es sich noch um einen sehr überschaubaren Anteil handeln wird: Die Weichen in Richtung nachhaltigeren Fliegens werden damit gestellt. Für SWISS ist die Partnerschaft ein wichtiger Baustein für ihre Weiterentwicklung. Die EU hat beschlossen, dass die Quote an ökologischem Treibstoff in Flugzeugen bis 2050 bei 70 Prozent liegen muss. Das Engagement in diesem Bereich trägt also langfristig auch zur Sicherung des Geschäftsmodells bei.

Synhelion braucht solche Partnerschaften, um langfristig Produktionsanlagen aufbauen zu können. Denn: «Der limitierende Faktor für den Bau grosser Anlagen ist aus heutiger Sicht der Kapitalbedarf», gibt Carmen Murer zu bedenken. «Wir haben eine hardwaregetriebene Technologie. Der Bau ist sehr teuer, der Betrieb vergleichsweise günstig. Es braucht also viele Investoren.» Weniger problematisch ist die Standortfrage. Die Anlagen sind eigenständig und unabhängig vom Stromnetz, was die Technologie weltweit schnell skalierbar macht. Standorte mit viel Sonneneinstrahlung gibt es sehr viele auf der Welt. Vor allem Wüstenflächen eignen sich gut, weil sie nicht anderweitig nutzbar sind. Auf der Fläche von etwa 0.5 Prozent der Sahara könnte man den gesamten globalen Treibstoffbedarf produzieren.

Carmen Murer, Kommunikationschefin Synhelion

Solartreibstoff nicht nur im Luftverkehr

Synhelion plant die Inbetriebnahme der ersten Anlage, die Solartreibstoff (SAF) in industriellem Massstab erzeugt, in Spanien 2025/26. Dort sollen etwa 1000 Tonnen SAF pro Jahr produziert werden. Das entspricht rund der Hälfte des Schweizer Flugtreibstoffbedarfs. Zur besseren Einordnung eine Vergleichszahl: Ein Flug von Zürich nach New York mit einem Airbus A330 verbraucht etwa 44'000 Liter. «Die Anlage in Spanien wird von uns gebaut und betrieben, aber für die Folgeanlagen wollen wir unsere Technologie lizenzieren.» Nicht nur die Fluggesellschaften, auch die Energieunternehmen haben das Thema natürlich längst auf dem Schirm. «Einer unserer ersten Unterstützer war der italienische Mineralöl- und Energiekonzern ENI.» Auch AMAG, einer der grössten Autoimporteure der Schweiz hat Interesse an Synhelion. Aus gutem Grund: Studien zeigen, dass es weltweit noch sehr lange Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor geben wird. Doch auch diese müssen möglichst umweltfreundlich betrieben werden, um die Netto-Null-Emissionsziele bis 2050 zu erreichen. Als ergänzende Lösung zur Strassenelektrifizierung können die Solarkraftstoffe von Synhelion helfen, diese Ziele zu erreichen.

Und die Partnerschaften umfassen noch weitere Bereiche. «CEMEX, einer der weltweit grössten Zementhersteller, ist ebenfalls einer unserer Partner. Denn die Prozesswärme könnte auch für Zementwerke interessant sein. Rund ein Drittel der Emissionen aus fossiler Quelle fallen im Baubereich an.»

Die Umkehr der Verbrennung

Und wie funktioniert nun diese Technologie? «Wir machen den Verbrennungsprozess rückgängig», bringt es Carmen Murer auf einen Nenner. Um das zu verstehen, muss man etwas weiter ausholen. Am einfachsten lässt sich das wohl anhand des Verbrennungsmotors erklären. Darin wird der Treibstoff verbrannt, die erzeugte Wärme treibt den Motor an. Bei diesem Verbrennungsprozess werden CO2 und Wasserdampf erzeugt. Das CO2 geht in die Atmosphäre – mit den bekannt negativen Auswirkungen auf das Klima. Im Umkehrschluss wird aus CO2, Wasser und Wärmeenergie also wieder Treibstoff, oder? Ganz so einfach, wie es klingt, ist es natürlich nicht. Um CO2 und Wasserdampf zurück in flüssigen Treibstoff zu verwandeln, braucht es sehr viel Energie in Form von Prozesswärme. Hier kommt die Sonne ins Spiel. Ihr Licht muss so gebündelt werden, dass eine Temperatur von bis zu 1500° Grad erzeugt werden kann – die Temperatur, die für die chemischen Prozesse benötigt wird. «Diese stammt aus den Heliostaten», erklärt Carmen Murer. «Das ist ein Spiegelfeld, das um einen Turm herum gebaut ist.». In diesem Turm befinden sich ein Solarempfänger, ein thermochemischer Reaktor und thermische Energiespeicher. Die Heliostaten bewegen sich automatisch mit der Sonne, um ihre Strahlung optimal nutzen zu können. Sie sind wie eine riesige Lupe auf den Solarempfänger im Turm fokussiert. Dort wird die Sonnenstrahlung in die benötigte Prozesswärme umgewandelt.

Diese Wärmeenergie wird dann zum Reaktor geleitet. Darin entsteht aus CO2 und Wasser das sogenannte Synthesegas – der Universalbaustein, um den synthetischen Treibstoff zu erzeugen. «Damit hat man den grössten Teil der Herausforderung geschafft», sagt die Synhelion-Kommunikationschefin. «Alles, was dann passiert, ist bereits altbekannte industrialisierte Technologie. Das Synthesegas wird verflüssigt, daraus entsteht synthetisches Rohöl, das dann in eine Raffinerie kommt.»

Und woher kommt das CO2?

Die Energieproblematik hat Synhelion mit den Heliostaten also gelöst. Auch Wasser ist leicht verfügbar. Bleibt noch das CO2. «Man kann mit allen Arten von CO2-Quellen arbeiten. Uns ist aber wichtig, dass wir CO2-neutrale Treibstoffe herstellen. Deshalb muss es zuerst aus der Atmosphäre entnommen werden.» Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: Zum einen kann das CO2 mit der Technologie «direct air capture» (DAC) direkt aus der Luft gewonnen werden.

Unsere Vision ist es, DAC zu nutzen, sobald der Preis konkurrenzfähig ist

Synhelion arbeitet dabei mit dem Schwester-Spin-off Climeworks zusammen. Die beiden Technologien sind am gleichen ETH-Forschungslabor entwickelt worden; die Vision war von Anfang an, diese beiden Technologien zu koppeln. Was technisch funktioniert, ist wirtschaftlich jedoch noch nicht rentabel. «DAC ist noch im Skalierungsprozess und ist derzeit noch nicht zu einem marktfähigen Preis produzierbar», gibt Carmen Murer zu bedenken. Deshalb setzt Synhelion aktuell auf die andere Möglichkeit: biogenes CO2, das aus Bioabfall gewonnen wird. «Das wird die erste CO2 Quelle sein, die wir in Jülich nutzen. Ales andere würde die Kosten zu stark in die Höhe treiben und die Treibstoffe massiv verteuern. Unsere Vision ist aber, DAC zu nutzen, sobald der Preis konkurrenzfähig ist.» Dem Unternehmen ist dabei Transparenz sehr wichtig. «Wir möchten auch unsere Lieferketten abbilden und eine Lifecycle-Analyse erstellen. Denn wir wollen nachvollziehbar machen, wie die CO2-Ersparnis zustande kommt. Nur so können wir eine positive Wirkung erzielen.»

Die Revolution des Verkehrssektors?

Synhelion hat eine Technologie entwickelt, die wegweisend für den Mobilitätsbereich sein kann. Die Anlagen funktionieren an allen Standorten, an denen Sonnenlicht vorhanden ist. Die Produktion ist CO2-neutral, denn bei der Verbrennung des Solartreibstoffs entsteht nicht mehr CO2, als zu seiner Produktion aufgewendet wird. So wird der CO2-Kreislauf geschlossen. Und mit dem produzierten Rohöl liesse sich theoretisch alles herstellen, was man auch sonst mit Rohöl herstellt. Das ist natürlich nicht das Ziel von Synhelion: «Wir möchten den Verkehrssektor dekarbonisieren», stellt Carmen Murer klar. Das Unternehmen ist davon überzeugt, dass es die richtige Technologie dazu hat. Wie sich die gesellschaftlichen und politischen Rahmenbedingungen entwickeln werden, wird die Zukunft zeigen.

synhelion.com

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