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Methanol aus der Wüste das Verfahren im Überblick

Physik, Chemie, Technik

Das Verfahren im Überblick:

Vereinfacht dargestellt wird dabei zunächst wie üblich der zum Gewinnen von Wasserstoffgas notwendige Strom auf riesigen Photovoltaikflächen aus der Sonnenstrahlung produziert. Das Neue in dem weiteren Verfahren liegt darin, dass auch das notwendige Wasser aus der Luftfeuchtigkeit an Ort und Stelle extrahiert werden kann und gleichzeitig atmosphärisches CO2 mit dem über Katalysatoren das Wasserstoffgas mit dem Kohlendioxid chemisch in das flüssige grüne Methanol verwandelt wird.

Erst diese Innovation ermöglicht, dass das Ganze in Wüstenregionen erfolgen kann. Denn Wasser ist in der Wüste ein Problem. Dieses müsste aufwendig dorthin transportiert und gereinigt werden. Bisher hat kaum jemand daran gedacht, dass der Luft in den Wüstengebieten und im Ödland ausreichend Wasser aus der relativen Luftfeuchtigkeit entzogen wird. Der Obrist-Group ist es in ihrem Verfahren gelungen an Ort und Stelle nicht nur mit dem CO2 Methanol zu produzieren, sondern gleichzeitig auch der Luft mehr Kohlendioxid zu entziehen, als für die Produktion überhaupt notwendig ist.

Das heißt, der praktische Gebrauch hilft sogar den CO2-Gehalt der Atmosphäre zu verringern und unterstützt den notwendigen Klimawandel. Dieser flüssige Energieträger kann alle Fossilen wie Kohle, Erdöl oder Erdgas auf Anhieb ohne riesige Investitionen in die Infrastruktur ersetzen. Alle Transportmöglichkeiten sind aus der fossilen Welt vorhanden. Beispielsweise kann ein ehemaliger Erdöltanker unmittelbar eingesetzt werden, mit dem großen Vorteil, dass wenn dieser havariert, nicht diese schrecklichen Umweltschäden erfolgen, welche bisher beim Untergang durch das austretende Erdöl ganze Ökosysteme für Jahrzehnte zerstört haben. Auch der Antrieb aller Schiffe kann ohne große Umbauten durch das klimaschützende Methanol erfolgen. Der mit Methanol angetriebene Verbrennungsmotor arbeitet ebenfalls im höchsten Wirkungsgrad mehr als Benzin- oder Dieselmotoren. Den Verbrennungsmotor zu verbieten wäre deshalb ein extremer Fehler gewesen. Das gilt auch für Flugzeuge mit Propeller oder Turbinenantrieb.

Hinzu kommt, dass Methanol auch in herkömmlichen Dieselaggregaten ohne große Umbauten verwendet werden kann, wie gesagt es hat dann einen größeren Wirkungsgrad als Diesel. auch heute sind Autos ja ohne Probleme für Propan oder Butan.
In meinem Buch Wohlstand und Wirtschaftswachstum ohne Reihe habe ich das alles ausführlich dargestellt.

Jean Pütz

Eine Ode an die Demokratie

Gedanken

Diesen wunderbaren Beitrag habe ich bei Facebook erhalten, auf meinen Wunsch, dass unsere Demokratie die Stürme der jetzigen Zeit übersteht.

Andreas L. schrieb am 3.10.2024:

Zum Tag der Deutschen Einheit
Hallo Jean, ein dickes Danke für den Mann der mich seit meiner Kindheit mit seinen leicht aufbereiten Ideen fasziniert hat, eine tiefe Verneigung vor deinem Lebenswerk. Demokratie ist das Glück unseres Lebens, daraus resultierte unser tolles Leben, keine Frage. Ich bin noch immer der Meinung wir werden in Deutschland die richtigen Wege finden, aber es braucht wohl noch etwas Zeit. Ich mache mir weiterhin “ meine kleine Welt wie sie mir gefällt“ weil ich einfach zufrieden damit bin. Keine Angst vor Veränderung, schaut es euch an und macht das beste für euch daraus, Angst ist der denkbar schlechteste Ratgeber. Verzweifle bloß nicht, gib Ihnen einfach noch etwas Zeit, liebe Grüße, bleib gesund und nutze deine Zeit wir haben nur noch begrenzt davon.

Geheimnis der inneren Uhr endlich gelüftet

Klassische Medizin

(pte) – Forscher der Duke-NUS Medical School und der University of California Santa Cruz haben das Geheimnis zur Regulierung der inneren Uhr des Menschen gelüftet. Demnach befindet sich dieser Regulator direkt am Ende von Casein Kinase 1 delta (CK1δ). Dabei handelt es sich um ein Protein, das als Schrittmacher für unsere innere biologische Uhr oder den natürlichen zirkadianen Rhythmus agiert, der den Schlaf-Wach-Rhythmus kontrolliert. Die im „PNAS“ veröffentlichten Ergebnisse könnten den Weg für neue Ansätze zur Behandlung von Krankheiten ebnen, die mit der inneren Uhr in Zusammenhang stehen.

Geringfügige Unterschiede

CK1δ reguliert die zirkadianen Rhythmen, indem es andere Proteine, die bei der inneren Uhr eine Rolle spielen, identifiziert und so das Timing dieser Rhythmen genau abstimmt. Zusätzlich zur Modifizierung anderer Proteine kann auch CK1δ selbst markiert werden und so seine Fähigkeit zur Regulierung der Proteine, die beim Betrieb der inneren Uhr eine Rolle spielen, verändern.

Frühere Studien hatten bereits zwei unterschiedliche Versionen von CK1δ, die Isoforme δ1 und δ2, identifiziert, die sich nur durch 16 Aminosäuren am Ende des Proteins, dem sogenannten Schwanz, unterscheiden. Diese geringfügigen Unterschiede wirken sich jedoch maßgeblich auf die Funktion von CK1δ aus. Bekannt war auch, dass eine Markierung dieser Proteine dazu führt, dass ihre Fähigkeit zur Regulierung der inneren Uhr abnimmt. Nun ist bekannt, wie das genau vonstatten geht.

Mittels Advanced-Spectroscopy- und Spektrometrie-Techniken konnten die Forscher auf diese Enden der Proteine zoomen und herausfinden, dass die Art und Weise, wie diese Proteine markiert werden, von ihren ausgeprägte Schwanzsequenzen bestimmt wird. Laut der korrespondierenden Autorin Carrie Partch von der University of California Santa Cruz verweisen die neuen Ergebnisse auf drei spezifische Bereiche am Schwanz von CK1δ, wo sich Phosphatgruppen anbinden können.

Diese Stellen sind für die Kontrolle der Aktivität des Proteins von entscheidender Bedeutung. Werden diese Punkte mit einer Phosphatgruppe markiert, wird CK1δ weniger aktiv. Das bedeutet, dass es die innere Uhr nicht mehr so wirksam beeinflussen kann. Laut David Virshup, der sich seit Jahrzehnten mit diesem Protein beschäftigt, gibt es jetzt endlich eine Antwort auf die Frage, die die Forschung sehr mehr als 25 Jahren beschäftigt hat.

CK1δ von großer Bedeutung

Der co-korrespondierende Autor hat nachgewiesen, dass der δ1-Schwanz umfassender mit dem Hauptteil des Proteins interagiert. Das führe zu einer größeren Selbsthemmung von δ2 und bedeute, dass das Isoform δ1 strenger von seinem Ende her kontrolliert wird als δ2. Mutieren diese Stellen oder werden sie entfernt, wird δ1 aktiver. Das führe zu Veränderungen der zirkadianen Rhythmen. Im Gegensatz dazu verfügt δ2 von seinem Schwanz her nicht über die gleiche regulierende Wirkung.

Damit ist nachgewiesen, wie ein kleiner Teil von CK1δ seine gesamte Aktivität beeinflussen kann. Diese Selbstregulierung ist für den Erhalt einer ausgewogenen Aktivität von CK1δ von entscheidender Bedeutung, die wiederum dabei hilft, den zirkadianen Rhythmus zu kontrollieren.

CK1δ spielt jedoch bei vielen anderen Vorgängen im Körper ebenfalls eine fundamentale Rolle. Dazu gehören die Zellteilung sowie das Entstehen von Krebs und bestimmter neurodegenerativer Erkrankungen. Also könnten diese Forschungsergebnisse zu neuen Behandlungsansätzen für eine ganze Reihe von Krankheiten beitragen.

Kirigami revolutioniert unter anderem Antennen für Mobilfunk im Mikrowellenbereich

Physik, Chemie, Technik

(pte) – Forscher der Drexel University und der University of British Columbia nutzen zur Entwicklung moderner Hochleistungsantennen die alte japanische Kunst des Schneidens und Faltens von Papier, Kirigami. Ziel hierbei ist die Herstellung komplizierter 3D-Designs als Vorlage für beispielsweise neue Mobilfunkantennen.

MXene-Tinte auf Zellulose-Azetat

Die Experten haben bereits demonstriert, wie aus einem Blatt Zellulose-Azetat – also einer durchsichtigen Folie, die mit einer leitfähigen Tinte auf MXene-Basis versehen ist – mit Kirigami-Technik eine flexible 3D-Antenne für Mikrowellen entsteht. Deren Übertragungsfrequenz lässt sich einfach durch Ziehen oder Zusammendrücken an die jeweilige Aufgabe anpassen.

„Damit die drahtlose Technologie Fortschritte in Bereichen wie der Softrobotik sowie der Luft- und Raumfahrt ermöglicht, müssen Antennen für eine abstimmbare Leistung und eine einfache Herstellung ausgelegt sein. Kirigami ist ein natürliches Modell für einen Fertigungsprozess, da sich komplexe 3D-Formen aus einem einzigen 2D-Materialstück einfach erstellen lassen“, so Yury Gogotsi von der Drexel-Ingenieurschule.

Mikrowellenantennen können bisher elektronisch oder durch Änderung ihrer Form neu konfiguriert werden. Das Hinzufügen der erforderlichen Schaltkreise zur elektronischen Steuerung einer Antenne erhöht jedoch ihre Komplexität. Die Antenne wird sperriger, anfälliger für Fehlfunktionen und teurer in der Herstellung. Die Kirigami-MXene-Technik überwindet diese Nachteile, heißt es.

Breites Anwendungsfeld für MXene

MXene sind eine Familie von 2D-Nanomaterialien, die Drexel-Forscher bereits 2011 entdeckt haben. Ihre physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften lassen sich durch geringfügige Änderung ihrer chemischen Zusammensetzung an die jeweiligen Aufgaben anpassen.

MXene wurden in den vergangenen zehn Jahren häufig für Anwendungen eingesetzt, die Materialien mit präzisem physikalisch-chemischem Verhalten erfordern, wie elektromagnetische Abschirmung, Biofiltration, Energiespeicherung und der Telekommunikation. Die Kirigami-Antennen erwiesen sich als wirksam bei der Übertragung von Signalen in drei oft genutzten Mikrowellenfrequenzbändern: zwei bis vier, vier bis acht und acht bis zwölf Gigahertz, die auch für den Mobilfunk genutzt werden.

Leichtsinn führt zu großen Gefahren in der IT-Sicherheit

Computer, TV, Medien

(pte) – Nicht nur das Risikoempfinden der Deutschen in Bezug auf Cyber-Gefahren ist im Vergleich zu 2021 um zwölf Prozentpunkte gesunken. Laut dem neuen Report des IT-Security-Spezialisten G Data hat auch die Wissenskompetenz im Umgang damit im gleichen Zeitraum um sieben Punkte eingebüßt.

IT-Abteilungen gefordert

Der Studie zufolge variiert die Wahrnehmung von IT-Sicherheit stark zwischen dem privaten und beruflichen Umfeld. Während das Sicherheitsgefühl im privaten Umfeld gegenüber 2021 um rund acht Prozentpunkte gesunken ist, hat es im beruflichen Bereich lediglich um einen Prozentpunkt abgenommen.

Dieser Unterschied deutet laut den Experten darauf hin, dass viele Berufstätige den Irrglauben haben, dass die Verantwortung für IT-Sicherheit allein bei der IT-Abteilung liegt. Gleichzeitig sähen sich dieselben Personen im privaten Umfeld gezwungen, selbst aktiv zu werden. Diese unterschiedliche Wahrnehmung sei problematisch.

„Jeder muss Beitrag leisten“

G Data sieht folglich eine gefährliche Lücke in der IT-Sicherheit am Arbeitsplatz, die aus der mangelnden persönlichen Verantwortung und Sensibilisierung für Cyber-Bedrohungen entsteht. „Es ist entscheidend, dass jeder Einzelne erkennt, dass er einen aktiven Beitrag zur IT-Sicherheit leisten muss, um gegen Cyber-Bedrohungen gewappnet zu sein“, heißt es.

Meilenstein in der Abbildung von Krebsgewebe auf Molekularer Ebene

Klassische Medizin
(HZDR) – Das Institut für Radiopharmazeutische Krebsforschung am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelt Radiotracer als radioaktive Arzneimittel für die klinische Anwendung. Der Freistaat Sachsen fördert nun über Mittel aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung sowie mit Steuermitteln des Landes Sachsen den Kauf eines für Kleintierstudien geeigneten simultanen PET/MRT-Scanners. Als Teil des Projekts „GliaRPET“ wollen die HZDR-Forscher*innen mit dem Gerät am Leipziger Standort die präzise Bildgebung von Gehirntumoren auf molekularer Ebene mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Magnetresonanztomographie (MRT) verbessern. Das soll langfristig die translationale Entwicklung neuer Radiopharmaka voranbringen.
Strukturelle Informationen, wie etwa hochauflösende anatomische Bilder von Tumoren und seiner Metastasen, verbunden mit der Radiotracer-basierten Darstellung des Tumormikromilieus auf molekularer Ebene: Das ist notwendig, um zu beurteilen, wie gut Radiotracer, also radioaktive Moleküle, bei Hirntumorpatient*innen für die molekulare Bildgebung geeignet sind. Essentiell sind diese Informationen für Prof. Klaus Kopka, Direktor des Instituts für Radiopharmazeutische Krebsforschung, denn: „Unser Ziel ist, geeignete Radiotracer als radioaktive Arzneimittel zu entwickeln und sie in die nuklearmedizinische Praxis zu überführen.“
Zum Einsatz kommen die Radiopharmaka im Kampf gegen Krebs zum einen in der nicht-invasiven nuklearmedizinischen Diagnostik, zum anderen in der Therapie von primären und sekundären Hirntumoren. Doch die genaue Anreicherung von Radiotracern und die unterschiedlichen molekularen Stoffwechselvorgänge sind im Gewebe bei Kleintieren wie Ratten und Mäusen oft nur schwer zu erkennen. Deshalb braucht es möglichst eine hochauflösende Bildgebung.
Klaus Kopka und sein Team konnten dafür nun über den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE InfraProNet 2021-2027) Mittel für den Kauf eines für Kleintierstudien geeigneten kryogen-freien simultanen 7-Tesla-Hochfeld-MRT/PET-Scanners und dessen Einbau in die Forschungsinfrastruktur am HZDR-Standort in Leipzig einwerben. Rund 2,7 Millionen Euro kostet das Gerät, das nun produziert und auf die speziellen Ansprüche der HZDR-Forschenden angepasst wird. In spätestens zwei Jahren soll es in Betrieb gehen. Das Forschungsteam will über das Hightech-Gerät unterschiedlichste Techniken der modernen Bildgebung bündeln.
Deutschlandweit einmaliger Scanner
So können die Forschenden mit dem Gerät künftig die anatomische und die molekulare In-vivo-Bildgebung simultan und nicht wie bisher nacheinander durchführen. Das ermöglicht ihnen, die Verteilung der Radiopharmaka mittels PET- bei gleichzeitiger MRT-Bildgebung zu verfolgen und bei mehreren Tieren gleichzeitig und in kürzeren Intervallen zu messen. Dadurch verkürzen sich die Scan-Zeiten und die Forschungsarbeit wird deutlich effizienter: Tumortragende Kleintiere werden in Studien wesentlich geringer belastet, Forschungspersonal weniger zeitlich beansprucht.
Hinzu kommt, dass die MRT-Komponente eine Magnetfeldstärke von 7 Tesla aufweist. Dadurch liegt es deutlich über der gängigen Magnetfeldstärke von 3 Tesla, mit der Geräte in Kliniken üblicherweise ausgestattet sind. „Das ermöglicht uns neben einer besseren anatomischen Auflösung eine funktionelle MRT-Bildgebung und die Darstellung Tumor-spezifischer Stoffwechselvorgänge mittels In-vivo-Magnetresonanzspektroskopie“, erklärt Daniel Gündel. Dank des in dieser Kombination deutschlandweit einmaligen Scanners werden sich beispielsweise Tumore und Metastasen im Gehirn der Kleintiere schon in sehr frühen Stadien erkennen lassen.
Außerdem besitzt das Scangerät eine PET- sowie eine Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT)-Komponente. „Insgesamt sind wir damit auf dem aktuellsten Stand der Technik, um multimodale nichtinvasive Bildgebungstechniken an experimentellen Tiermodellen von Hirntumoren durch den Einsatz neuartiger Radiotracer durchzuführen“, sagt Dr. Daniel Gündel, der als Biologe am HZDR-Standort Leipzig auf dem Gebiet der Radiotracer-basierten Kleintierbildgebung forscht.
Grundlage für internationale Kooperationen
„Für uns ist das Kleintier-7T MRT/PET-Gerät ein Meilenstein, denn dadurch wird das HZDR auf dem Gebiet der radiopharmazeutischen Krebsforschung national und international sehr kompetitiv“, bilanziert Klaus Kopka. Anspruch sei zudem, noch mehr internationale Kooperationen initiieren zu können. Profitieren soll von dem modernen Scangerät die neue Professur „Experimentelle Neuroonkologische Radiopharmazie“, die derzeit gemeinsam mit der Universität Leipzig berufen wird.
Das strategisch ausgerichtete Vorhaben „GliaRPET“ werde damit zur wesentlichen Voraussetzung für anspruchsvolle multimodale Bildgebungsstudien in tierexperimentellen Hirntumormodellen. Die Ergebnisse der präklinischen MRT/PET-Studien sollen künftig gemeinsam mit Projektpartnern, wie der Universität Leipzig oder dem Nationalen Zentrum für Strahlenforschung in der Onkologie – OncoRay, in die bildgeführte Strahlentherapie übertragen werden.

Weichmacher beeinträchtigen Gehirnfunktion

Klassische Medizin

(pte) – Die beiden Weichmacher DEHP und DINP haben negative Auswirkungen auf die normale Hirnfunktion von Wirbeltieren. Zu dem Schluss kommen Forscher der Universität Bayreuth. Diese Chemikalien werden beispielsweise in PVC, Farben und Kosmetika verwendet. Details sind in „Ecotoxicology and Environmental Safety“ nachzulesen.

Blut-Hirn-Schranke passiert

DEHP beeinträchtigt die Entwicklung und Fortpflanzung, weshalb er an vielen Stellen bereits durch die bisher als sicherer geltende Alternative DINP ersetzt wurde. Nun zeigt sich, dass DEHP zusätzlich die Blut-Hirn-Schranke beeinträchtigt. Diese schützt das Gehirn vor Erregern oder Giftstoffen im Blut. Die Experten warnen daher vor einer Gefahr auch für Erwachsene.

Die Fachleute haben Goldfische vier Wochen lang einer umweltrelevanten Konzentration von Weichmachern ausgesetzt. Anschließend haben sie die Auswirkung von DEHP respektive DINP auf das Gehirn am Mauthner-Neuron – der größten Nervenzelle im Stammhirn von Fischen – untersucht. Das Mauthner-Neuron ist für entsprechende Messungen zugänglich und bekommt Input aus einer Vielzahl von Sinnessystemen, weshalb es sich für die Untersuchung anbietet.

„Ergebnisse sind alarmierend“

„Die Ergebnisse unserer Studie sind alarmierend und mit einiger Vorsicht auch übertragbar auf den Menschen. Grundlegende Funktionen des Gehirns, wie Nervenzellen Information verarbeiten und weiterleiten sowie die Übertragung von Information von einer Nervenzelle auf die andere laufen bei Fischen nicht anders ab als beim Menschen. Und hier finden wir Effekte der Weichmacher-Exposition“, sagt der Bayreuther Wissenschaftler Peter Machnik.

Laut den Messungen am Mauthner-Neuron der Fische reduzieren sowohl DEHP als auch DINP die Leitungsgeschwindigkeit der Nervenzelle um 20 Prozent. Auch wurden negative Folgen auf die Verbindung zwischen den Nervenzellen – die Synapsen – und damit auf die Übertragung der Erregung von einer Nervenzelle auf die andere festgestellt. Zudem wurden Hinweise darauf gefunden, dass beide Weichmacher die visuelle Wahrnehmung der Fische beeinträchtigen.

Alkohol als Speichermedium: Power-to-Methanol könnte zu einem Standbein der Energiewende werden

Allgemein
(HZDR) – Effiziente Speichertechnologien sind eine tragende Säule eines regenerativen Energiesystems, um überschüssigen Strom zwischenzuspeichern. Methanol könnte in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle zukommen. Die große Frage dabei ist, wie sich solche Power-to-Methanol-Systeme in eine künftige Infrastruktur der Erneuerbaren integrieren und wirtschaftlich betreiben lassen. Eine Antwort darauf hat Dr. Stefan Fogel vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) durch aufwendige Modellierung und umfangreiche Simulationen während seiner Dissertation gefunden.
Die unstete Verfügbarkeit von Sonne und Wind stellt ein zukünftiges Energiesystem, das auf erneuerbaren Quellen beruht, vor große Herausforderungen. Herrschen beste Wetterbedingungen, wird mitunter mehr Strom generiert, als das Netz abnehmen kann. Damit die Anlagen dann nicht gedrosselt werden müssen, sind kluge Speicherlösungen gefragt. Eine davon könnte Power-to-Methanol sein. Mit dieser wird Überschussstrom aus Solaranlagen oder Windparks zuerst in Wasserstoff und dann zusammen mit Kohlendioxid-Emissionen aus Industrieprozessen in den einfachsten Vertreter der Alkohole umgewandelt.
„Methanol ist ein sehr guter Energiespeicher und hat auf das Volumen bezogen im Vergleich zu Wasserstoff eine viel höhere Energiedichte“, sagt Dr. Stefan Fogel vom HZDR-Institut für Fluiddynamik. „Als Flüssigkeit lässt es sich auch wesentlich einfacher transportieren und speichern.“ Das macht den Alkohol einerseits zu einem idealen Speichermedium. Andererseits ist er aber auch ein wichtiger Grundstoff in der Chemieindustrie. Wie sich der Herstellungsprozess aber in ein regeneratives Energiesystem integrieren lässt, ist noch nicht umfassend erforscht.
„Arbeiten zur stationären und dynamischen Modellierung und Simulation von Power-to-Methanol-Prozessen auf Basis von Hochtemperatur-Elektrolyseuren sind in der wissenschaftlichen Literatur bisher stark unterrepräsentiert“, erklärt der Chemieingenieur. „Gleiches gilt für deren wirtschaftliche Bewertung.“ Deshalb hat sich Fogel für seine Arbeit auf eben jene Elektrolyse-Systeme fokussiert, die bei Betriebstemperaturen über 600 Grad Celsius reinen Wasserstoff erzeugen. Dieser wird ohne weiteren Separationsaufwand direkt in der Synthesestufe genutzt. Das ist effizienter als die heute etablierten Technologien wie zum Beispiel die alkalische Elektrolyse.
Digitaler Zwilling zeigt Potentiale auf
Den digitalen Zwilling, den er dabei vom Power-to-Methanol-System modelliert hat, nutzte er für umfassende Simulationen. „Ich habe mir angeschaut, was passiert, wenn man das System dynamisch betreibt“, geht er ins Detail. Die Frage ist besonders im Hinblick auf regenerative Energien essentiell. Denn heutige Elektrolyseure werden üblicherweise für einen Betrieb rund um die Uhr ausgelegt. Doch dezentral an einem Windpark oder einer Photovoltaik-Anlage angeschlossen, würden die Systeme nur in Zeiten von Energieüberschuss arbeiten. Das bringt einerseits technische Herausforderungen mit sich, beeinflusst aber andererseits auch wesentlich die Kosten für das produzierte Methanol. „Dabei hat sich gezeigt, dass man einen solchen Prozess durchaus flexibilisieren kann“, erläutert Fogel. „Es wäre in Zukunft also möglich, eine Power-to-Methanol-Anlage mit einer Photovoltaik- oder Windkraft-Anlage zu koppeln, im Teillastbetrieb zu fahren und trotzdem kompetitive Produktionskosten zu erzielen.“
Dass man von diesem Punkt heute allerdings noch weit entfernt ist, zeigt seine techno-ökonomische Bewertung der aus den Simulationen gewonnenen Daten. Denn die ergab, dass die Kosten für das Methanol unabhängig von den Prozessverschachtelungen und den eingesetzten Technologien aktuell nicht konkurrenzfähig sind. Das liegt in erster Linie daran, dass fossile Rohstoffe durch die über Jahrzehnte aufgebaute Infrastruktur heute noch konkurrenzlos billig sind. „Durch die Elektrolyse-Technologie entstehen massive Kapitalkosten für die Investitionen in diese Anlagen“, weiß Fogel. „Bis zu 70 Prozent der Kosten entfallen auf die Investition. Die eigentlichen Produktionskosten sind am Ende gar nicht so hoch.“
Das sieht der Forscher allerdings nur als vorübergehende Phase an, die jede neue Technologie durchlaufen müsse. Denn sollte der Markt für Power-to-Methanol in den kommenden Jahren hochlaufen, würden Skaleneffekte die Kosten reduzieren. „Ich habe in meiner Arbeit auch untersucht, wie sich das Thema in den kommenden 20 Jahren entwickeln könnte“, betont der Chemieingenieur. Dazu führte er eine umfangreiche Literaturrecherche durch und projizierte die Kosten in die Zukunft. Das Ergebnis: Es wird eine drastische Kostenreduktion geben. „Im Jahr 2050 könnten wir mit dem Power-to-Methanol-Prozess den Punkt erreicht haben, an dem wir mit den fossilen Energieträgern gleichauf liegen.“
Für seine Dissertation erhielt Dr. Stefan Fogel den Franz Stolze-Preis 2024. Mit dieser Auszeichnung würdigt die TU Dresden herausragende wissenschaftliche Abschlussarbeiten von Studierenden und jungen Wissenschaftler*innen auf dem Gebiet der Energietechnik.

Umweltschonende Lithiumgewinnung

Erde, Klima, Umweltschutz

(pte) – Mit einer neuen Technologie lässt sich Lithium mit einer Kostenersparnis von 60 Prozent gegenüber heutigen Techniken gewinnen. Außerdem ist das von Wissenschaftlern der Stanford University entwickelte Verfahren deutlich umweltverträglicher, weil damit weniger Wasser, Chemikalien und Land verbraucht werden als bisher üblich. Allerdings funktioniert es nur mit Thermalwässern (Sole), die Lithium enthalten. Die Forschungsergebnisse erschienen vor Kurzem im Fachjournal „Matter“.

„Potenzieller Wendepunkt“

„Die unserem Ansatz innewohnenden Effizienz- und Kostenvorteile machen ihn zu einer vielversprechenden Alternative zu derzeitigen Extraktionstechniken und zu einem potenziellen Wendepunkt in der Lithiumversorgungskette“, erläutert der leitende Forscher Yi Cui. Das Forschungsteam schätzt, dass sein Ansatz 3.500 bis 4.400 US-Dollar pro Tonne hochreines Lithiumhydroxid kostet, das kostengünstig in Lithiumcarbonat in Batteriequalität umgewandelt werden kann – verglichen mit etwa 9.100 Dollar pro Tonne für die vorherrschende Technologie zur Gewinnung von Lithium aus Sole. Die Produktion von Lithium aus Gestein ist noch weitaus teurer und umweltschädlicher.

Heutzutage wird Lithium aus Sole gewonnen, indem das Wasser verdampft wird, ein energieaufwändiger Prozess. Alternativ kann die Sole auch durch Umweltwärme eingedickt werden, doch das dauert Monate. Cui und sein Team setzen dagegen auf ein Elektrolyseverfahren, ähnlich dem zur Spaltung von Wasser in Wasser- und Sauerstoff. Als Energielieferant soll grüner Strom dienen, sodass der Prozess weitgehend klimaneutral abläuft. Dabei wird der Lithiumgehalt der Sole durch Abspalten von Wasser in mehreren Schritten drastisch erhöht.

Nebenprodukt der Geothermie

Wasser mit einer hohen Konzentration an Salzen, einschließlich Lithium, kommt in der Natur in einigen Seen, heißen Quellen und Grundwasserleitern sowie als Nebenprodukt bei der Erdöl- und Erdgasförderung und der Meerwasserentsalzung vor, außerdem in der Sole, die zur Nutzung von Erdwärme zu Heizzwecken und zur Stromerzeugung aus dem Untergrund gefördert wird. Experimentell wurde dieses Wasser auch in Deutschland schon genutzt, um Lithium zu gewinnen, allerdings nicht mit einem Elektrolyseverfahren.

Lithium spielt eine entscheidende Rolle für die Bekämpfung des Klimawandels. Einem Bericht der Unternehmensberatung McKinsey zufolge wird die Nachfrage nach Lithium von etwa einer halben Mio. Tonnen im Jahr 2021 auf drei bis vier Mio. Tonnen 2030 steigen. Der starke Zuwachs ist vor allem auf die Einführung von Elektrofahrzeugen und Systemen zur Speicherung erneuerbarer Energien zurückzuführen, die beide auf Batterien angewiesen sind. Angesichts des zunehmend schleppenden Absatzes von E-Autos dürfte der Bedarf zwar nicht ganz so rasant steigen, dennoch bleiben klimaschonende Gewinnungstechniken für Lithium extrem wichtig.

Neues Kühlsystemen auf Basis eines physikalischen elastokalorischen Effekts

Physik, Chemie, Technik

(pte) – 48 Prozent effektiver als heutige Geräte ist ein Kühlsystem, das Forscher der Ingenieursschule an der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) entwickelt haben. Während andere Anlagen ein Kältemittel benötigen, das im ungünstigen Fall klimaschädlich ist, kommt das HKUST-Gerät ganz ohne ein solches aus. Es basiert auch nicht auf Kompression und Dekompression, sondern auf einem elastokalorischen Effekt. Ihre Forschungsergebnisse haben die Wissenschaftler vor Kurzem im Fachjournal „Nature Energy“ veröffentlicht.

Für Klimatisierung nutzbar

Wenn ein Material wie Nitinol, eine Nickel-Titan-Legierung, mechanischem Druck ausgesetzt und verformt wird, kommt es zur kristallinen Phasenumwandlung, wobei sich das Material erwärmt. Die entstehende Wärme wird über eine Wärmesenke, etwa Wasser, abgeführt, sodass das sogenannte Gedächtnismaterial sich an seine ursprüngliche Form erinnert, diese wieder einnimmt und wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird nun das Kraftfeld entfernt, so verringert sich die Ordnung und das Material kühlt auf einen Wert unterhalb der Ausgangstemperatur ab. Diese lässt sich zum Klimatisieren nutzen.

Dieser Effekt ist zwar schon länger bekannt, ließ sich bisher jedoch nicht in der Praxis nutzen. Die Temperaturdifferenzen waren zu gering und damit die Kühlleistung. Dieses Problem hat das Team um Sun Qingping und Yao Shuhuai gelöst, indem es mehrere dieser Systeme kaskadenförmig hintereinanderschaltete. Die erste Temperatursenkung des ersten Geräts reduzierte das nachfolgende, bis eine ausreichende Differenz erreicht war. Die Wärmesenke (Wasser) konnte so um 75 Grad erhöht werden, die sich anderweitig nutzen lassen, etwa zur Erwärmung von Brauchwasser.

Bald leistungsfähigere Legierungen

Darauf aufbauend arbeitet das Forscherteam jetzt an der Entwicklung von Hochleistungs-Formgedächtnislegierungen, die noch effektiver sind und die Kühlleistung verbessern, um die Kommerzialisierung dieser innovativen Technologie voranzutreiben. Umgekehrt lässt sich das System auch als Wärmepumpe zum Heizen einsetzen, die beispielsweise Erdwärme auf ein höheres Temperaturniveau bringt. An dieser Entwicklung arbeitet das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg.

Raumkühlung und -heizung machen 20 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs aus, Tendenz steigend angesichts des Klimawandels. „Wir sind zuversichtlich, dass die elastokalorische Kältetechnik dank der kontinuierlichen Fortschritte in der Materialwissenschaft und im Maschinenbau in Zukunft umweltfreundliche und energieeffiziente Kühl- und Heizlösungen der nächsten Generation bereitstellen kann, um den riesigen weltweiten Kältemarkt zu versorgen und die dringende Aufgabe der Dekarbonisierung und der Eindämmung der globalen Erwärmung anzugehen“, resümiert Sun.