Aus Licht mach Wärme

Lights out, spots on / Bild: DLR

Die Sonne liefert enorme Mengen Energie. Doch wie lässt sich ihre Wärme für industrielle Prozesse nutzen? Im weltweit größten Sonnensimulator Synlight in Jülich testen Forschende Verfahren und Materialien bei Temperaturen von mehr als 1.000 Grad Celsius. Das Schweizer Unternehmen Synhelion zeigt bereits, wie daraus synthetische Kraftstoffe entstehen können.

In Deutschland verursacht der Verkehr rund 20 Prozent der CO₂-Emissionen. Um sie zu senken, braucht es klimafreundliche Alternativen zu Benzin, Diesel und Kerosin. Aber es gibt Mobilitätsbereiche, die sich nur schwer elektrifizieren lassen, etwa der Flugverkehr oder Baumaschinen. Hier könnten synthetische Kraftstoffe eine immer größere Rolle spielen. Doch auch deren Herstellung braucht Energie, denn dafür ist Wärme von deutlich über 1.000 Grad Celsius nötig. Bisher stammt diese Prozesswärme oft aus der Verbrennung fossiler Energieträger.

Forschende suchen nach Möglichkeiten, die benötigte Wärme auf andere Weise zu erzeugen. Eine davon: Man nutzt die Kraft der Sonne. In einem Sonnensimulator bündeln sie künstliches Sonnenlicht und nutzen die extrem hohen Temperaturen, um die Herstellung verschiedener Produkte und Anlagen zu testen, bevor Unternehmen sie im industriellen Maßstab einsetzen.

Sonne für die Forschung 

In Jülich betreibt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die weltweit größte derartige Testanlage: „Synlight erzeugt künstliches Sonnenlicht, dessen Spektrum dem natürlichen Sonnenlicht sehr ähnlich ist“, erklärt Dmitrij Laaber vom Institut für Future Fuels. Laaber ist einer der Entwickler der Anlage, hat sie mit aufgebaut und leitet Synlight heute.

Mit Synlight holt das DLR, kurz gesagt, die Sonne ins Labor. „Das hat den Vorteil, dass man für Forschung und Versuche mit Sonnenlicht nicht darauf warten muss, dass die Sonne zuverlässig und lange genug scheint“, sagt Laaber. Man kann sie in Jülich einfach an- und wieder ausschalten – unabhängig von Wetter und Tageszeit. 

148 Xenon-Kurzbogenlampen setzt das DLR dafür ein. Solche Lampen kommen zum Beispiel auch in Kinoprojektoren zum Einsatz. „Wir nutzen diese Lampen aus dem gleichen Grund wie die Kinobetreiber: Sie bilden das natürliche Sonnenlicht im sichtbaren Bereich gut ab und können Farben lebendig und naturgetreu wiedergeben“, sagt der Anlagenleiter. Synlight kann Laaber zufolge die zehntausendfache Intensität der Sonneneinstrahlung an einem klaren Tag liefern. „Für die meisten Versuche genügt aber eine etwa 500- bis 2.000-fache Intensität, auch das ist schon sehr viel“, sagt er. 

Je nach Versuch fokussieren die Forschenden das Licht der Lampen auf einen Punkt oder richten es auf mehrere Punkte gleichzeitig. Jede Lampe lässt sich einzeln an- und ausschalten, nach vorne oder nach hinten bewegen, drehen und neigen. Die Anlage besteht neben den Strahlern aus drei Versuchsräumen. Dort stellen die Forschenden die Objekte auf, die sie bestrahlen wollen. Den Strom für die Anlage, die eine Anschlussleistung von zwei Megawatt hat, bezieht das DLR von einem Stromversorger, der eigenen Aussagen zufolge Ökostrom liefert.  

Vom Labor in die Praxis

Bei den Versuchen geht es oft darum, Wärme aus Sonnenlicht für chemische Prozesse nutzbar zu machen: „Dazu gehören die Spaltung von Wasser, um Wasserstoff zu erzeugen, und etwa die Methanolsynthese, bei der aus Grundchemikalien Kraftstoffe hergestellt werden“, sagt Laaber. Mit Synlight lassen sich zudem alle möglichen Anlagenteile, die in solchen sogenannten solarchemischen Prozessen genutzt werden sollen, erst einmal testen. Eine weitere Gruppe von Versuchen umfasst größere Konstruktionen – also komplette Anlagen, die in großer Hitze bestehen müssen: „Wir testen ganze Baugruppen aus Hochtemperaturmaterialien auf ihre Hitzebeständigkeit“, sagt Laaber. 

Manche Versuche dauern eine Stunde, andere sieben bis acht Stunden. Die längste Versuchsdauer lag bisher bei gut zehn Stunden, technisch möglich wären auch längere Zeiträume: „Die Anlage selbst ist grundsätzlich darauf ausgelegt, auch über 48 Stunden oder gar mehrere Tage am Stück bestrahlen zu können – beschränkt wird die Zeit vor allem durch die Lebensdauer der Lampen von etwa 150 bis 160 Stunden“, sagt Laaber. Für ein paar Tage würde das ausreichen. 

Sonnenenergie als Treibstoff

Damit hilft Synlight, neue Technologien unter kontrollierten Bedingungen weiterzuentwickeln. Denn bevor Unternehmen eine Anlage im großen Maßstab bauen, müssen sie wissen, ob ihre Bauteile und Verfahren bei extremer Hitze zuverlässig funktionieren. Wie sich solche Forschungsergebnisse in die industrielle Praxis übertragen lassen, zeigt das Schweizer Unternehmen Synhelion. Es hat am DLR-Standort Jülich Teile seiner Technologie getestet und in Jülich mit DAWN eine eigene Produktionsanlage errichtet. 

Auf den ersten Blick wirkt sie wie die Kulisse eines Science-Fiction-Films, tatsächlich handelt es sich um ein solarthermisches Kraftwerk: Ein rund 20 Meter hoher Solarturm steht inmitten eines Feldes aus Spiegeln. Die Spiegel –sogenannte Heliostate – lenken die Sonnenstrahlen auf einen Empfänger im Turm. Der Empfänger wandelt diese konzentrierte Strahlung in Prozesswärme um. Ein thermochemischer Reaktor nutzt diese Hitze, um aus einer Kohlenstoffquelle und Wasser erst synthetisches Gas und daraus das synthetische Rohöl herzustellen, ausreichend für mehrere tausend Liter Treibstoff im Jahr. Scheint die Sonne nicht, sorgt ein thermischer Energiespeicher für die nötige Hitze von 1.200 Grad Celsius im Reaktor. Er wurde zuvor mit überschüssiger Sonnenenergie aufgeladen.

Die 2024 eröffnete Anlage soll zunächst die Technologie unter industriellen Bedingungen erproben und zeigen, dass sich das Verfahren auch in größerem Maßstab einsetzen lässt. Ein erster Meilenstein ist der Einsatz des Kraftstoffs aus Jülich beim Oldtimer-Rennen Bernina Gran Turismo. Seit 1929 kurven bei der Veranstaltung historische Renn- und Sportwagen über den Berninapass im Schweizer Kanton Graubünden – bisher eine Veranstaltung, die den Verbrennermotor geradezu zelebrierte. 2026 konnten die Fahrerinnen und Fahrer erstmals synthetisches Benzin tanken, das sich mit der klassischen Motorentechnik nutzen lässt – laut Pressemitteilung der Partner ist das erst der Anfang einer langfristigen Zusammenarbeit.