(WELT) – Die Zukunft gehört elektrisch angetriebenen Fahrzeuge. Davon ist auch der Ingenieur und Journalist Jean Pütz überzeugt. Allerdings hält er Autos mit großen, schweren Batterien für einen Irrweg. Im Interview erklärt er warum.

Der Wissenschaftsjournalist Jean Pütz hat bereits 1969 in seiner TV-Serie „Energie, die treibende Kraft“ auf die Notwendigkeit hingewiesen, den Anstieg der globalen Temperatur durch effiziente Nutzung von Energie zu begrenzen. Mit den aktuell diskutierten Klimaschutzmaßnahmen ist der studierte Elektroingenieur, der am 21. September 2021 seinen 85. Geburtstag feiert, allerdings nicht glücklich.

WELT: Der Klimawandel war noch in keinem Bundestagswahlkampf ein so großes Thema wie derzeit. Freut Sie das?

Jean Pütz: Ganz und gar nicht. Wir erleben da eine unsägliche Fokussierung auf die Elektromobilität. Nicht nur die Grünen fordern den vollständigen Umstieg auf Elektrofahrzeuge und ein Verbot des Verbrennungsmotors. Zunächst einmal lenkt es von den eigentlichen Herausforderungen ab. Hierzulande werden rund 40 Prozent der CO₂-Emissionen durch das Heizen und Kühlen von Gebäuden verursacht. Dort müsste man in erster Linie auf klimafreundliche Alternativen setzen. Die Verbrennungsmotoren der privaten Pkws tragen hingegen nur mit maximal sechs Prozent zu den CO₂-Emissionen bei. Das Ende von Verbrennungsmotoren zu fordern, ist stümperhaft und populistisch. Es führt in eine Sackgasse.

WELT: Warum das? Man kann doch sowohl das eine tun und das andere nicht lassen. Was wäre falsch daran, diese immerhin sechs Prozent CO₂-Emissionen zu vermeiden?

Pütz: Verbrennungsmotoren können uns sogar helfen, die Klimaziele zu erreichen. Denn mit ihrer Hilfe lässt sich der Energieverbrauch von Häusern deutlich reduzieren.

WELT: Das müssen Sie genauer erklären!

Pütz: Wenn man im Keller mit einem kleinen Verbrennungsmotor elektrische Energie erzeugt und dabei die Abwärme zum Heizen und zur Warmwassererzeugung nutzt, dann spart man sehr viel Energie und CO₂ ein. Mit dieser Technik könnten zahllose Öl- und Gasheizungen ersetzt werden, die CO₂-Schleudern sind. Schließlich kann man ja nicht alle Häuser in Deutschland mit Strom heizen oder mit einer Wärmepumpe ausstatten. Die benötigt ebenfalls Strom oder man nutzt eine Gas-Wärme-Pumpe, die dann wiederum auf einem Verbrennungsmotor basiert. Beide Technologien nutze ich schon lange in meinem Haus. Mein mit Erdgas angetriebenes Kleinheiz-Kraftwerk erzeugt neben Wärme zum Heizen auch 5,5 Kilowatt Strom. Auf dem Dach habe ich außerdem Solarzellen und Systeme zur solaren Warmwassererzeugung. Eine gute Isolierung des Hauses trägt dazu bei, dass ich extrem wenig Energie zum Heizen benötige.

Je schwerer ein Auto, umso größer der Reifenabrieb

WELT: Auch wenn man Verbrennungsmotoren für diese Zwecke nutzt, wäre das für sich noch kein Argument, nicht auf Elektroautos zu setzen.

Pütz: Dem Elektroauto gehört in der Tat die Zukunft, aber nicht dem Elektroauto, wie es heute von Tesla und anderen konzipiert wird. In diesen Fahrzeugen stecken sehr schwere Batterien. Das ist so, als würde man noch sechs weitere Fahrgäste in seinem Auto mitnehmen. Das ist nicht nur energetisch ein Problem. Je schwerer ein Auto ist, umso größer ist auch der Abrieb der Reifen. Da gibt es einen linearen Zusammenhang – also doppeltes Gewicht gleich doppelter Abrieb. In den Reifen steckt aber nicht nur Gummi, sondern auch Plastik. Mit dem Abrieb gelangt Feinstaub in die Umwelt und damit Mikroplastik. Dieser Aspekt wird von den Grünen gerne ignoriert. Ein großer SUV mit schweren Batterien an Bord ist eine Unverschämtheit. Das entscheidende Argument gegen eine flächendeckende Einführung von Elektroautos ist aber, dass man in Deutschland niemals so viel elektrische Energie erzeugen kann, um damit alle Kraftfahrzeuge zu betreiben – und nachhaltig schon gar nicht. Wir importieren heute rund 80 Prozent unserer Primärenergie. Ein von Energieimporten unabhängiges Deutschland ist eine Illusion. Wenn man nur die Hälfte der heutigen Elektroautos gleichzeitig ans Stromnetz hängen würde, bräche es zusammen. Mein Eindruck ist, dass Annalena Baerbock den Unterschied zwischen Primärenergie und elektrischer Energie nicht kennt. Wunschdenken allein reicht nicht.

WELT: Haben Sie eben nicht selbst gesagt, dass dem Elektroauto die Zukunft gehört?

Pütz: Ja, aber es müssen Elektroautos ohne große Batterien sein. Nichts spricht dagegen, Autos mit Elektromotoren auszustatten. Die haben einen sehr großen Wirkungsgrad. Doch der Strom für diese Motoren sollte an Bord mit Verbrennungsmotoren aus synthetischen Treibstoffen erzeugt werden. Das wäre CO₂-neutral, die Autos wären viel leichter und insbesondere viel preiswerter. Der im Moment eingeschlagene Weg zur Elektromobilität ist nicht nur für einkommensschwache Menschen ein Problem. Ein Verbot von Verbrennungsmotoren würde hierzulande auch hunderttausende Arbeitsplätze gefährden.

WELT: Was sind synthetische Treibstoffe und warum sind sie CO₂-neutral?

Pütz: Synthetische Treibstoffe werden aus nachhaltig gewonnenem Strom, grüner Wasserstoff und Kohlendioxid hergestellt. Das später bei der Verbrennung im Auto freigesetzte CO₂ wurde also anfangs der Umwelt entzogen und in das Treibstoff-Molekül eingebaut. Das ist also ein klimaneutraler CO₂-Kreislauf. Und weil wir in Deutschland die benötigten Mengen an synthetischen Kraftstoffen nicht selbst produzieren können – so viele Windräder und Solaranlagen lassen sich hierzulande gar nicht aufstellen – müssten diese aus Ländern mit sehr viel Sonne und freien Flächen importiert werden. Denkbar sind verschiedene synthetische Kraftstoffe. Ich persönlich setzte da auf Methanol.

Mit einer Tankfüllung 1500 Kilometer fahren

WELT: Warum Methanol?

Pütz: Weil es da schon den Proof of Principle gibt. Eine innovative österreichische Firma hat ein Hyper-Hybrid-Auto entwickelt – kein Plug-in-Hybrid – das mit einem Zwei-Zylinder-Motor einen Wirkungsgrad von 56 Prozent erreicht. Der Verbrauch liegt bei zwei Liter Treibstoff auf 100 Kilometer. Mit einer Tankfüllung von 30 Litern kann man also 1500 Kilometer weit fahren. Und wenn der Tank leer ist, ermöglicht die kleine Batterie weitere 100 Kilometer. Ich habe die Hyper-Hybrid-Technik bereits vor 15 Jahren empfohlen und empfinde es als wunderbar, dass das inzwischen umgesetzt wird. Ein besonders effizienter Verbrennungsmotor in Kombination mit synthetischen Treibstoffen ist die Lösung. Auch, weil diese Autos nicht teurer sind als die bisherigen Verbrenner-Fahrzeuge.

WELT: Was genau ist der Unterschied zwischen einem Hyper-Hybrid-Auto und einem Plug-in-Hybrid?

Pütz: Beim Plug-in-Hybrid gibt es noch parallel einen mechanischen und elektrischen Antrieb. Das halte ich für idiotisch. Das Hyper-Hybrid-Auto ist hingegen ein rein elektrisch angetriebenes Autos, das ganz ohne Mechanik und Getriebe auskommt.

WELT: Was wünschen sie sich von der neuen Bundesregierung?

Pütz: Ich wünsche allen Politikern die Erkenntnis, dass es fundamentale Gesetze der Physik und Chemie gibt, die sich durch keine Ideologie umgehen lassen. Das gilt sowohl für den menschengemachten Klimawandel als auch die technischen Ansätze zum Erreichen von CO₂-Neutralität. Ich wünsche mir, dass es keine milliardenschweren staatlichen Subventionen für das Batterie-schwere Elektroauto herkömmlicher Bauart mit schlechter Ökobilanz gibt. Mein großer Traum ist, dass unsere freiheitliche Demokratie noch in der Lage ist, fundamentale Probleme zu lösen ohne Populismus und ohne Zwangswirtschaft.

(WELT) – Betreiber von Atom- und Kohlekraftwerken fordern von den EU-Mitgliedstaaten immer wieder Milliarden-Entschädigungen für die Folgen der Energiewende. Ein alter Vertrag aus Nachwendezeiten macht es möglich. Jetzt droht eine teure Eskalation.

Die Energiecharta ist ein typischer europäischer Vertrag, den kaum ein Bürger kennt. Meistens taucht er erst dann in den Nachrichten auf, wenn er die Steuerzahler viele Millionen oder gar Milliarden von Euro kostet. Etwa als die Bundesregierung im März mit dem schwedischen Atomkraftwerkbetreiber Vattenfall 1,4 Milliarden Euro Entschädigung für den Atomausstieg vereinbarte. Der Aufschrei war damals groß.

Die Auseinandersetzung mit Vattenfall ist allerdings kein Einzelfall: Der deutsche Energieriese RWE verklagt gerade die Niederlande vor einem Schiedsgericht. Der Konzern fordert 1,4 Milliarden Euro, weil er wegen des niederländischen Kohleausstiegs ein Kohlekraftwerk bis 2030 stilllegen soll – ohne Entschädigung. Auch der deutsche Konzern Uniper klagt deswegen gegen die Niederlande.

Es ging um Versorgungssicherheit in Europa

Grundlage dieser Prozesse ist eben jener kaum bekannte Energie-Vertrag, der in den turbulenten Jahren nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion geschlossen wurde, um die Energieversorgung in Europa auch in den politischen Wirren der Nachwendezeit zu sichern. Er garantierte die Sicherheit europäischer Investitionen auf dem Territorium der zerfallenen Sowjetunion und in den Transformationsstaaten des ehemaligen Warschauer Paktes. Kraftwerke und Pipelines sind teuer, und Unternehmen brauchen Sicherheit, um in Projekte zu investieren, die sich teilweise erst nach Jahrzehnten rentieren.

In den ersten Jahren wurde das Vertragswerk kaum genutzt. Seit der Jahrtausendwende allerdings immer häufiger. Anders als von den Initiatoren – allen voran Deutschland – beabsichtigt, geht es bei den Schadenersatzverfahren, die vor privaten Schiedsgerichten verhandelt werden, aber nicht etwa um Nachwende-Chaos, korrupte Regierungen oder um Gerichte, die Investoren übel mitspielen oder sie gar enteignen. Vielmehr spielen die meisten bekannt gewordenen Fälle in den Kernstaaten der westlichen Demokratie selbst.

Die Klagen beziehen sich auf Kohleausstiege, gekürzte Subventionen für erneuerbare Energien oder hierzulande um den Schlingerkurs der Bundesregierung beim Atom-Ausstieg. Spanien wiederum musste Schadensersatz zahlen, weil es die Subventionen für die Einspeisung von Strom aus Erneuerbaren früher als geplant gekürzt hatte.

Die Europäische Kommission erwartet, dass mit dem Green Deal solche Auseinandersetzungen in Zukunft zunehmen werden. Das Ziel, die europäische Wirtschaft bis 2050 klimaneutral zu machen, die jüngste Verschärfung der europäischen Reduktionsziele bis 2030 und Gerichtsentscheidungen wie die des Bundesverfassungsgerichts, das den Gesetzgeber aufgefordert hat, bereits heute strengeren Klimaschutz zu betreiben, um Anpassungsdruck von künftigen Generationen zu nehmen – all diese Faktoren machen radikalere Maßnahmen zur Treibhausgasreduktion wahrscheinlich.

Schutz nur noch für erneuerbare Energien?

Damit steigt auch die Gefahr von Prozessen und Schadenersatzforderungen auf der Grundlage der Energiecharta. Brüssel und EU-Mitgliedstaaten fürchten, dass Energiekonzerne strengere Klimagesetze zum Anlass nehmen könnten, Staaten auf Entschädigungen in Milliardenhöhe zu verklagen. Die EU-Kommission drängt deshalb auf eine Reform des Vertrages, um ihn an die klimapolitische Realität anzupassen.

Die zentrale Forderung der Kommission: Der Investorenschutz soll künftig nur noch für Investitionen in regenerative Energien gelten, aber nicht mehr für Investitionen in fossile Energien. Im Mai 2020 hat die Kommission einen entsprechenden Vorschlag vorgelegt, von dem sie glaubt, dass er die Zustimmung aller 53 Vertragsparteien finden könnte. Demnach soll es nach dem Wegfall eine Übergangszeit von zehn Jahren geben, in denen der Schutz für bestehende fossile Investitionen weiterhin gilt. Investitionen in emissionsärmere Gaskraftwerke oder Gaspipelines sollen bis 2040 geschützt sein.

Es ist allerdings fraglich, ob dieser Vorschlag ausreicht, damit alle übrigen Vertragsparteien zustimmen. Sechs Verhandlungsrunden blieben bisher ohne Ergebnis. Da die Verhandlungen ähnlich wie viele der Schiedsgerichtsverfahren im Geheimen geführt werden, ist nicht klar, wie die übrigen Vertragsparteien auf den EU-Vorschlag reagiert haben.

Beobachter schätzen den Kompromisswillen nicht besonders hoch ein. „Vor allem die osteuropäischen Staaten, die am Öl- und Gasgeschäft verdienen, sträuben sich; Russland beispielsweise oder auch Aserbaidschan oder Kasachstan“, sagt Bernd Lange. Der SPD-Politiker ist Vorsitzender des Handelsausschusses des EU-Parlaments. Lediglich im Fall von Japan zeigt ein an die Öffentlichkeit geratenes Dokument die Verhandlungsposition – und die ist ernüchternd: Japan halte eine Reform des Vertrages für unnötig heißt es darin.

Reaktor mit Katalysatoren dazu wird mit 3D-Druck optimiert

Diese Meldung der Stanford-University bestätigt die Tatsache, dass sich nicht nur Deutschland mit der Umwandlung von Wasserstoff zu grünem Methanol und anderen regenerativen Treibstoffen beschäftigt. Entscheidend ist auch, dass das Design der Katalysatoren, die den Umwandlungsprozess energiesparend unter Verwendung von möglichst recyceltem CO2 bewirken. Dieses Prinzip kann auch von großtechnischen Anlagen übernommen werden.

Jean Pütz

Die Herstellung von Chemierohstoffen und Treibstoffen aus CO2 und „grünem“ Wasserstoff ist eine wichtige Option für die Verhinderung einer Klimakatastrophe. Bei diesem Wettlauf wollte Jeremy Feaster ebensowenig mitmachen wie seine Forschungspartner an der Stanford University  und der Öl- und Gasproduzent Total Energies.

Das Team konzentrierte sich auf etwas anderes, das bisher kaum Beachtung gefunden hat: das Design des Reaktorinnenraums. Dies ist, wie die Forscher mittlerweile wissen, ebenso wichtig für die Verbesserung des Prozesses wie der Katalysator. „Unsere Vision ist es, die besten Katalysatoren, die in der Grundlagenforschung entwickelt wurden, zu nehmen und Reaktoren so zu gestalten, dass sie diese Katalysatoren optimal nutzen“, so Co-Autorin Sarah Baker, die auch die LLNL-Arbeitsgruppe leitet, die neue Materialien für die Energieumwandlung und den Klimaschutz entwickelt.

Schnelles Handeln fürs Klima

Die Forscher haben unzählige Male das Innen-Design der Reaktoren verändert. Innerhalb von Stunden ließen sie sich mit dem 3D-Drucker herstellen, sodass sie umgehend getestet werden konnten. Gab es Fortschritte, modifizierten sie den Innenraum erneut, um schließlich ein Optimum zu erreichen.

„Wir alle wissen, dass das Klima schnelles Handeln erfordert und es oberste Priorität hat, diese Maschinen auf die volle Größe zu bringen“, sagt Roger Aines, Chefwissenschaftler am LLNL. „Der 3D-Druck gibt uns eine echte Chance, die Zeit bis zur kommerziellen Anwendung drastisch zu verkürzen.“ Um große Produktmengen zu erzielen, wollen die Forscher viele davon zu einem kühlschrankgroßen Gerät kombinieren. Eine andere Möglichkeit: der Bau größerer Reaktoren mit herkömmlicher Technik, aber dem gleichen Innenraum-Design.

(pte) – Mit Redox-Flow-Batterien, die mit ungiftigen und umweltverträglichen Elektrolyten arbeiten, lässt sich das Speicherproblem für überschüssigen Wind- und Solarstrom lösen, wie Forscher um Yi Zhu von der University of Akron sagen. Mit Kollegen des Pacific Northwestern National Laboratory haben sie den bisher stabilsten wasserlöslichen organischen Katholyten (positiver Elektrolyt) gebaut.

Neue Symmetrie der Moleküle

Die Wissenschaftler haben auf der Basis eine Batterie gefertigt, die auch nach 6.000 Lade- und Entladezyklen noch 90 Prozent der Strommenge speichert. Das entspricht einer Lebensdauer von mehr als 16 Jahren, wenn sie täglich einmal auf- und entladen wird. Das Team will sich mit dem, was es erreicht hat, noch aber nicht zufriedengeben. So haben sie eine Strategie entworfen, um noch bessere wasserlösliche Katholyten zu entwickeln.

Anstatt eine hydrophile funktionelle Gruppe anzuhängen, um die Löslichkeit der organischen Moleküle zu verbessern, ändern die Forscher die Symmetrie der Moleküle, was zur Verbesserung führt. Um dieses Ziel zu erreichen, hat Zhu das Unternehmen Akron Polyenergy  gegründet. Auch in Deutschland und Österreich arbeiten Forscher und Industrie an der Verbesserung von organischen Elektrolyten. Die Innovation an der Universität Jena mündete bereits in JenaBatteries. An der TU ist die Entwicklung auf der Basis des Naturmaterials Lignin noch im Forschungsstadium.

Aufbau aus drei Komponenten

Im Gegensatz zu anderen Batterien, die aus einem Bauteil bestehen, ist die Redox-Flow-Batterie aus drei Komponenten aufgebaut. Im zentralen Bauteil findet der elektrochemische Prozess statt, also die Beladung beziehungsweise Entladung der beiden Elektrolyte. Zu diesem Zweck werden sie in die Zentraleinheit gepumpt. Die Kapazität hängt von der Größe der Tanks ab.

Die Energiedichte ist so gering, dass die Redox-Flow-Batterie für mobile Anwendungen kaum praktikabel ist, obwohl das Schweizer Unternehmen nano.Flowcell  sie in einem elektrisch angetriebenen Sportwagen einsetzt. Ideal ist sie dagegen für stationäre Anwendungen, vor allem weil sie weitaus billiger ist als andere Batterien. Und sie werden dringend benötigt, um das Stromnetz zu stabilisieren, wenn immer mehr Kraftwerke, die bislang zuverlässig Strom erzeugen, abgeschaltet werden.

Umgerechnet 560 Watt oder 0,56 Kilowatt stehen gegenüber einem Energie-Inhalt von Methanol, von 5,5 Kilowatt. Das ist rund das 10fache an Energiedichte. Nutzt man regeneratives Methanol in Verbrennungsmaschinen, kommt man auf ca. 56% Wirkungsgrad. Das heißt, umgerechnet in mechanische Energie ist die Energie von Methanol mehr als 5 Mal leichter als die Batterie. Wer Wert auf Gewichtsreduktion legt, muss das berücksichtigen.

Jean Pütz

(KIT) – ine extrem hohe Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm bei bemerkenswert guter Stabilität bietet eine neuartige Lithium-Metall-Batterie. Dafür haben Forschende am vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institut Ulm (HIU) eine vielversprechende Kombination aus Kathode und Elektrolyt eingesetzt: Die nickelreiche Kathode erlaubt, viel Energie pro Masse zu speichern, der ionische Flüssigelektrolyt sorgt dafür, dass die Kapazität über viele Ladezyklen weitestgehend erhalten bleibt. Über die rekordverdächtige Lithium-Metall-Batterie berichtet das Team im Magazin Joule

Derzeit stellen Lithium-Ionen-Batterien die gängigste Lösung für die mobile Stromversorgung dar. Die Technologie stößt jedoch bei manchen Anforderungen an ihre Grenzen. Dies gilt besonders für die Elektromobilität, bei der leichte, kompakte Fahrzeuge mit hohen Reichweiten gefragt sind. Als Alternative bieten sich Lithium-Metall-Batterien an: Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus, das heißt, sie speichern viel Energie pro Masse bzw. Volumen. Doch ihre Stabilität stellt eine Herausforderung dar – weil die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen reagieren.

Eine Lösung haben nun Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) gefunden. Wie sie im Magazin Joule berichten, setzen sie eine vielversprechende neue Materialkombination ein. Sie verwenden eine kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode (NCM88). Diese bietet eine hohe Energiedichte. Mit dem üblicherweise verwendeten kommerziell erhältlichen organischen Elektrolyten (LP30) lässt die Stabilität allerdings stark zu wünschen übrig. Die Speicherkapazität sinkt mit steigender Zahl der Ladezyklen. Warum das so ist, erklärt Professor Stefano Passerini, Direktor des HIU und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien: „Im Elektrolyten LP30 entstehen Partikelrisse an der Kathode. Innerhalb dieser Risse reagiert der Elektrolyt und zerstört die Struktur. Zudem bildet sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Kathode.“ Die Forschenden verwendeten daher stattdessen einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten mit zwei Anionen (ILE). „Mithilfe des ILE lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen“, berichtet Dr. Guk-Tae Kim von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU.

Kapazität über 1 000 Ladezyklen zu 88 Prozent erhalten

Die Ergebnisse: Die Lithium-Metall-Batterie erreicht mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE eine Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Sie weist anfänglich eine Speicherkapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) auf; über 1 000 Ladezyklen bleibt die Kapazität zu 88 Prozent erhalten. Die Coulomb-Effizienz, die das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität angibt, beträgt durchschnittlich 99,94 Prozent. Da sich die vorgestellte Batterie auch durch eine hohe Sicherheit auszeichnet, ist den Forschenden aus Karlsruhe und Ulm damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen. (or)

(pte) – Ammoniak, das mithilfe von Ökostrom hergestellt wird, könnte mit einer vom Ulsan National Institute of Science and Technology entwickelten Technik zum Speicher für „grünen“ Wasserstoff werden. Das Team hat mittels elektrischer Energie die Flüssigkeit, die Wasserstoff und Stickstoff enthält, in ihre Bestandteile aufgespalten und gewann hochreinen Wasserstoff. Den Stickstoff, Hauptbestandteil der Luft, entließen sie in die Atmosphäre.

Große Energieeinsparung

Mit der Technik lässt sich Wasserstoff mit einem Drittel der Energie gewinnen, die bei der Spaltung von Wasser durch Elektrolyse nötig ist. Jedoch geht einiges an Energie bei der Herstellung von grünem Ammoniak drauf. Die Energieeinsparung oder -neutralität ist aber nicht das Entscheidende. Soll Wasserstoff mobil eingesetzt werden, etwa in Zügen, Lastwagen, Flugzeugen und Schiffen, muss dieser, der die Brennstoffzellen zur Stromerzeugung versorgt, nach dem Stand der Technik in Tanks unter einem Druck von bis zu 800 Bar oder flüssig gelagert werden. Es müsste eine neue Infrastruktur aufgebaut werden.

Ließe sich Ammoniak als Wasserstoffspender nutzen, würden drucklose Tanks genügen und die Zapfsäulen heutiger Tankstellen könnten ohne großen Aufwand für die Abgabe von Ammoniak umgerüstet werden. Es müsste lediglich sichergestellt werden, dass beim Tanken eine gasdichte Verbindung mit dem Tank des Verbrauchers hergestellt wird. Außerdem müsste dieser selbst auch gasdicht sein, denn Ammoniak ist eine ätzende Flüssigkeit.

Katalysator gleicht einer Blüte

Eines der Geheimnisse ist laut Forschungsleiter Guntae Kim der Katalysator, der die Spaltung des Ammoniaks vorantreibt. Er basiert auf Platin, das allerdings in nur geringen Mengen benötigt wird. Entscheidend ist auch die Form des Kats. Dieser ähnelt einer Blüte, sodass er eine große wirksame Oberfläche hat. Es gibt bereits Brennstoffzellen, die Ammoniak als Wasserstofflieferant nutzen. Die ätzende Flüssigkeit wird dazu auf eine Temperatur von 700 bis 800 Grad Celsius erhitzt, sodass sie sich aufspaltet.

Genutzt wird das unter anderem zur Stromversorgung von Mobilfunkmasten, die fernab von jedem Stromnetz stehen. Die Universität Duisburg-Essen und das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik http://zbt-duisburg.de in Duisburg arbeiten zudem an einem Spalter, der direkt mit einer Brennstoffzelle gekoppelt werden soll. 2022 soll das System einsatzbereit sein.

(KIT) – Wasserstoff, der mit Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt wird, gilt als Schlüsselelement der Energiewende: Er kann aus Wind und Sonne gewonnene Energie CO₂-neutral chemisch speichern. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forschende die Prozesse an der Oberfläche des Iridiumoxid-Katalysators für die Wasser-Elektrolyse untersucht. Ihren Forschungsbeitrag zur Entwicklung verbesserter und effizienterer Katalysatoren stellen sie im Journal ACS Catalysis der American Chemical Society vor. (DOI: 10.1021/acscatal.1c02074)

Energie aus Solarmodulen und Windrädern ermöglicht es, Wasser durch Elektrolyse ohne schädliche Emissionen in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Da die Verfügbarkeit der Energie aus erneuerbaren Quellen für die Erzeugung des grünen – das heißt CO₂-neutral erzeugten – Wasserstoffs schwankt, sei es sehr wichtig, das Verhalten der Katalysatoren unter hoher Auslastung und unter dynamischen Bedingungen zu kennen, so die Verfasser der Studie. „Bei hohen Strömen gibt es eine starke Entwicklung von Sauerstoffblasen an der Anode, was die Messung erschwert und es bislang nahezu unmöglich machte, ein zuverlässiges Messsignal zu erhalten“, erläutert der Erstautor der Studie Dr. Steffen Czioska vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT. Die Kombination verschiedener Techniken ermöglichte es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nun, die Oberfläche des Iridiumoxid-Katalysators unter dynamischen Arbeitsbedingungen grundlegend zu erforschen. „Es ist uns zum ersten Mal gelungen, das Verhalten des Katalysators auf atomarer Ebene trotz starker Blasenentwicklung zu untersuchen“, sagt Czioska. Die American Chemical Society (ACS) wertet die Bedeutung der Veröffentlichung aus dem KIT für die internationale Wissenschaftsgemeinschaft so hoch, dass sie sie mit dem ACS Editor‘s Choice ausgezeichnet hat.

Röntgenabsorptionsspektroskopie mit Synchrotronlicht genutzt

Die Karlsruher Forschenden des ITCP, des Instituts für Katalyseforschung und des Instituts für Angewandte Materialien –  Elektrochemische Technologien haben die für die Katalyse einzigartige Röntgenabsorptionsspektroskopie, die es erlaubt, Änderungen auf atomarer Ebene besonders präzise zu untersuchen, und weitere Analysemethoden kombiniert. „Wir konnten die regelmäßigen Abläufe an der Katalysatorenoberfläche während der Reaktion sehen, weil alles Unregelmäßige herausgefiltert wurde – ähnlich wie bei der Langzeitbelichtung einer nächtlichen Autostraße – und dennoch die dynamischen Vorgänge erkennen“, sagt Czioska. „Unsere Untersuchung zeigt, dass gerade bei sehr hohen Spannungen und unter dynamischen Bedingungen höchst unerwartete Strukturänderungen auftreten, die im Zusammenhang mit einer Stabilisierung des Katalysators stehen“, sagt der Chemiker. Das Iridiumoxid löse sich weniger auf, das Material bleibe stabil.

Ergebnisse sollen zu besseren, effizienteren Katalysatoren beitragen

Die Erforschung der Vorgänge an der Katalysatoroberfläche ebne den Weg für die weitere Untersuchung von Katalysatoren bei hohen elektrischen Potenzialen und könne dazu beitragen, verbesserte und effizientere Katalysatoren für die Anforderungen der Energiewende zu entwickeln, betont Czioska. Die Untersuchung ist Teil des Schwerpunktprogramms „Dynakat“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft, in dem deutschlandweit über 30 Forschungsgruppen zusammenarbeiten und vom KIT unter Federführung von Professor Jan-Dierk Grunwaldt vom ITCP koordiniert wird.

Grüner Wasserstoff gilt als umweltfreundlicher chemischer Energiespeicher  und damit als wesentliches Element der Dekarbonisierung von Branchen wie der Stahl- und Chemieindustrie. Die 2020 vom Bundeskabinett beschlossene Nationale Wasserstoffstrategie sieht in der verlässlichen, bezahlbaren und nachhaltigen Erzeugung von Wasserstoff die Basis für dessen zukünftige Verwendung.