Archiv der Kategorie: Physik, Chemie, Technik

Higgs-Teilchen, 10 Jahre bekannt

Ein Physikkonkret der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) würdigt die Entdeckung der letzten fehlenden Komponente des Standardmodells der Teilchenphysik und stellt gleichzeitig drängende Fragen

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(DPG) – Am 4. Juli 2012 – vor zehn Jahren – wurde am europäischen Großforschungszentrum CERN in Genf die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt gegeben. An dieser Entdeckung war das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit vielen wissenschaftlichen Gruppen und Technologien beteiligt – und die Forschenden des KIT beschäftigen sich auch weiterhin mit diesem Teilchen. Einblick in die laufende Forschung bietet die populärwissenschaftliche Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“ am 4. Juli 2022 ab 18:00 Uhr .

„Das Higgs-Teilchen verleiht allen anderen Teilchen ihre Masse und ist das letzte Puzzlestück, das im Standardmodell der Teilchenphysik zur Beschreibung der Materiebausteine und ihrer Wechselwirkungen noch gefehlt hatte“, sagt der Teilchenphysiker Professor Markus Klute, der mit seiner Gruppe in den USA wesentlich zur Entdeckung des Higgs-Bosons beigetragen hat. Seit dem vergangenen Jahr forscht er als Humboldt-Professor am KIT.

Beendet sei die Forschung zu dem Teilchen aber noch lange nicht, so Klute. „Wir wollen das Higgs-Teilchen besser und vor allem breit verstehen: Welche Eigenschaften hat es? Welche Prozesse unterstützt es? Wie koppelt es sich an andere Teilchen? Gibt es Teilchen, die ihm gleichen?“ Inzwischen können die Forschenden das Higgs-Boson bis in den Prozentbereich hinein vermessen. Doch es gehe noch um mehr: „Am Ende möchte ich herausfinden, wo die Grenzen unseres Verständnisses liegen“, sagt Klute.

Was aber kommt nach dem Standardmodell? „Es gibt Phänomene, die es nicht abbildet. Ein Beispiel ist die dunkle Materie, die für den Aufbau unseres Universums mit seinen Galaxien fundamental wichtig ist“, erläutert Klute. Dass es sie geben muss, zeigten Gravitationsmessungen – gesehen habe man sie jedoch noch nicht. Auch Wechselwirkungen zwischen dunkler und sichtbarer Materie seien bislang nicht nachweisbar. „Meine Hoffnung ist, dass wir durch das Higgs-Boson mehr darüber lernen können“, sagt Klute.

Markus Klute und sein Team sind in der Hochenergiephysik unterwegs. Sie designen Maschinen, die auf Lichtgeschwindigkeit gebrachte Teilchen bei der Kollision aufspüren, entwickeln die Analysewerkzeuge für die gemessenen Daten und haben den Einsatz moderner Techniken des Maschinellen Lernens in der Hochenergiephysik etabliert. Das derzeit wichtigste Projekt von Klute ist das internationale Großforschungs-Experiment Compact Muon Solenoid, kurz CMS, am Large Hadron Collider (LHC) des CERN in Genf. Der Physiker gehört zu dem Team das im Laufe der CMS-Messungen das Higgs-Boson entdeckt hat.

Wasserstoff-Gas-Turbine muss neu entwickelt werden

(pte) –  Forscher der Universität Stavanger (UiS) http://uis.no haben eigenen Angaben nach erstmals eine Gasturbine mit 100 Prozent Wasserstoff betrieben. Normale Gasturbinen, die mit Erdgas befeuert werden, sind ohne einen Umbau dazu nicht geeignet, weil die Verbrennungstemperatur deutlich zu hoch ist. Die Schaufeln würden schmelzen. Das Problem lässt sich beispielsweise durch das Eindüsen von Wasser in den Brennraum lösen.

Strom und Wärme produziert

Die Turbine treibt einen Generator mit einer Leistung von 100 Kilowatt an. Der Strom wird in Institutsgebäuden genutzt, Überschüsse ins Netz des Stromversorgers Lyse eingespeist. Die Abgase der Turbine sind so heiß, dass ihre Wärmeenergie in einem Wärmetauscher genutzt wird, um warmes Brauchwasser für den Eigenbedarf herzustellen. Ein Teil fließt in das Fernwärmenetz vor Ort. Bei der Verbrennung von Wasserstoff in Gasturbinen entsteht im Wesentlichen Wasserdampf, wegen der hohen Temperaturen bei der Verbrennung allerdings auch Stickoxide, die in einem Katalysator zerstört werden.

„Wir haben einen Weltrekord bei der Wasserstoffverbrennung in Mikrogasturbinen aufgestellt. Niemand war bisher in der Lage, auf diesem Niveau zu produzieren“, sagt UiS-Forscher Mohsen Assadi. Der Wirkungsgrad sei zwar ein wenig geringer als bei der Verbrennung von Erdgas. Der Vorteil sei jedoch die Möglichkeit, die vorhandene Erdgas-Infrastruktur weiterhin benutzten zu können. Allerdings musste sie modifiziert werden, weil die winzigen Wasserstoffmoleküle durch Dichtungen schlüpfen können, die für Erdgasmoleküle undurchdringlich sind. „Zudem gibt es bei dieser Form der Energieumwandlung keinerlei CO2-Emissionen“, so Assadi.

Großturbinen bleiben das Ziel

Ziel ist es, Großturbinen, wie sie in GuD-Kraftwerken eingesetzt werden, ebenfalls mit Wasserstoff zu betreiben. Dieser Kraftwerkstyp zeichnet sich durch einen Wirkungsgrad von rund 60 Prozent aus. Die modernsten Kohlekraftwerke kommen auf knapp 50 Prozent. Die hohe Effektivität wird erreicht, weil der Brennstoff quasi doppelt genutzt wird. Die Abgase aus der Turbine sind noch so heiß, dass sie für die Erzeugung genutzt werden. Dieser lässt einen zweiten Turbogenerator rotieren, der zusätzlichen Strom erzeugt.

Dünnschicht-Photovoltaik: Effizient und vielseitig im Doppelpack

(KIT) Perowskit-Solarzellen haben in nur zehn Jahren eine steile Entwicklung durchlaufen. Vom Wirkungsgrad her lassen sie sich bereits mit den seit langem etablierten Silizium-Solarzellen vergleichen. Bei Perowskiten handelt es sich um innovative Materialien mit einer speziellen Kristallstruktur. Forschende arbeiten weltweit derzeit daran, die Perowskit-Photovoltaik reif für die praktische Anwendung zu machen. Für die Endverbrauchenden sind Solarzellen desto attraktiver, je mehr Strom pro Flächeneinheit sie erzeugen.

Der Wirkungsgrad lässt sich durch das Stapeln von zwei oder mehr Solarzellen erhöhen. Wenn dabei jede Solarzelle besonders effizient einen anderen Teil des Sonnenlichtspektrums absorbiert, lassen sich inhärente Verluste reduzieren und der Wirkungsgrad steigt. Dieser gibt an, wie viel vom einfallenden Licht in Strom umgewandelt wird. Perowskit-Solarzellen eignen sich dank ihrer Vielseitigkeit hervorragend als Bestandteil solcher Tandems. So haben Tandem-Solarzellen aus Perowskiten und Silizium einen Rekordwirkungsgrad von über 29 Prozent erreicht – deutlich höher als der von Einzelzellen aus Perowskiten (25,7 Prozent) und Silizium (26,7 Prozent).

Kombination von Perowskiten mit CIS – Mobilität und Flexibilität

Zusätzliche Vorteile verspricht die Kombination von Perowskiten mit anderen Materialien, wie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Dadurch werden flexible und leichte Tandem-Solarzellen möglich, die sich nicht nur an Gebäuden, sondern auch an Fahrzeugen und tragbaren Geräten anbringen lassen. Solche Solarzellen könnten sogar zur Aufbewahrung gefaltet oder gerollt und bei Bedarf ausgefahren werden, beispielsweise auf Jalousien oder Markisen, die vor Sonne schützen und gleichzeitig Strom erzeugen.

Einem internationalen Team aus Forschenden unter Leitung von Dr. Marco A. Ruiz-Preciado und Tenure-Track-Professor Ulrich W. Paetzold vom Lichttechnischen Institut (LTI) und Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT ist es nun gelungen, Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen mit einem Spitzenwirkungsgrad von 24,9 Prozent (23,5 Prozent zertifiziert) herzustellen. „Dies ist der höchste gemeldete Wirkungsgrad für diese Technologie und der erste hohe Wirkungsgrad überhaupt, der mit einer fast galliumfreien Kupfer-Indium-Diselenid-Solarzelle in einem Tandem erreicht wurde“, erklärt Ruiz-Preciado. Die Verringerung der Galliummenge führt zu einer schmalen Bandlücke von etwa einem Elektronenvolt eV, was dem Idealwert von 0,96 eV für die untere Solarzelle in einem Tandem sehr nahekommt.

CIS-Solarzellen mit schmaler Bandlücke – Perowskit-Solarzellen mit wenig Brom

Bei der Bandlücke handelt es sich um eine Materialeigenschaft, die denjenigen Teil des Sonnenspektrums bestimmt, den eine Solarzelle absorbieren kann, um Strom zu erzeugen. In einer monolithischen Tandem-Solarzelle müssen die Bandlücken so beschaffen sein, dass die beiden Zellen ähnliche Ströme erzeugen können, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Ändert sich die Bandlücke der unteren Zelle, muss die Bandlücke der oberen Zelle daran angepasst werden; umgekehrt ebenso.

Um die Bandlücke für eine effiziente Tandem-Integration einzustellen, werden üblicherweise Perowskite mit hohem Bromgehalt verwendet. Dies führt jedoch häufig zu Spannungsverlusten und Phaseninstabilität. Da die Forschenden am KIT und ihre Partner für ihre Tandems unten CIS-Solarzellen mit schmaler Bandlücke einsetzen, können sie die oberen Solarzellen aus Perowskiten mit niedrigem Bromgehalt herstellen, sodass sie effizienter und stabiler sind.

„Unsere Studie demonstriert das Leistungspotenzial von Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen und definiert die Basis für zukünftige Entwicklungen, die den Wirkungsgrad weiter verbessern können“, so Paetzold. „Erreicht haben wir diesen Meilenstein dank der hervorragenden Zusammenarbeit im EU-Projekt PERCISTAND und besonders dank der engen Kooperation mit der Netherlands Organisation for Applied Scientific Research.“ Wichtige Vorarbeiten gelangen zudem im nationalen Projekt CAPITANO, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK). (or)

 

Revisierbares Konzept, alle Länder mit regenerativer Energie zu versorgen

Antwortbrief an die Fa. Bosch, die in einer Pressemitteilung ankündigte, sich besonders um die Produktion regenerativen Wasserstoffs zu kümmern (blieb bisher unbeantwortet)

Schon als junger Ingenieur habe ich im Übergang der 50er zur den 60er Jahren die Komponenten von Bosch und deren Qualität verwendet, sie haben mir das Konstruieren von elektrischen Schaltungen und ihrer Logik leichter gemacht. Später, im Wissenschaftsjournalismus, schätzte ich die Qualitäten für unseren Nachwuchsförderung. Einen Ihren Stipendiaten habe ich sogar als festangestellten Redakteur eingesetzt.

Ich gestehe Ihnen, dass ich auch heute noch sehr beeindruckt von dem Konzept von Robert Bosch und deren Stiftung bin. Sie haben mit dazu beigetragen, dass der Anteil  von  Technologie und Wissenschaft unsere Gesellschaft zum Wohlstand geführt hat. Leider wird das in den Medien völlig vernachlässigt und hat sich nicht in der Schwarmintelligenz der Deutschen niedergeschlagen. Dafür schätze ich Ihre heutigen Aktivitäten für Umwelt und Klimaschutz umso mehr. Allerdings glaube ich, das die derzeitigen Lösungsansätze der Politik sich im Wunschdenken und Wolkenkuckucksheimen verloren haben.

Gerade war ich beim KIT und habe dort einen Workshop geleitet, der dieses Thema zum Inhalt hatte. Nur als Beispiel: Obwohl der Schwerpunkt des CO2-Ausstoßes in Deutschland eindeutig aus der Energieversorgung von Gebäuden herrührt (35 – 40%), wurden unsere privaten Autos schwerpunktmäßig für die Misere verantwortlich gemacht. Da wiehert der Populismus, denn der unbedarfte Bürger glaubt ja, wenn am Auspuff hinten nichts rauskommt, muss das ja umweltfreundlich sein. Dass das derzeitige schwere Elektroauto (ich nenne das einmal Typ Tesla) von der Ökobilanz her nicht besser ist als ein Verbrenner, wird bewusst übersehen. Es geht dabei nicht nur um die Rohstoffe für die Batterie, sondern es nur mit Ökostrom laden zu können, ist natürlich eine Illusion. Der Strommix wird sich  in den nächsten 20 Jahren immer zu Ungunsten der regenerativen Energie darstellen. Hinzu kommt, dass das etwa 250 kg schwerere Elektro-Auto durch den Reifenabrieb wesentlich mehr Feinstaub und Mikroplastik erzeugt.

Im Übrigen: Nicht wenige Anhänger der ‚Grün-Ideologen‘ glauben, dass die regenerative Erzeugung von elektrischer Energie alle Probleme löst. Keiner beantwortet mir die Frage, wie tausende von Terawatt-Stunden gespeichert werden sollen, wenn Sonne und Wind nicht mitspielen. Motto: ‚Wir brauchen keine Kraftwerke, unser Strom kommt aus der Steckdose‘.

Beim KIT, in einem von mir geleiteten Workshop,  hat mein Konzept der globalen Energieversorgung mit über  Wasserstoff gewonnenes grünes Methanol auch als Entwicklungshilfe der 3. Welt beeindruckt.

Das möchte ich noch einmal präzisieren:

  1. Ich propagiere eine Elektromobilität, die auch für den ‚kleinen‘ Mann erschwinglich ist und trotzdem ein Minimum an Energie erfordert, um von A nach B zu kommen. Das funktioniert zwar auch mit fossilen Treibstoffen (der Prototyp Hyper-Hybrid benötigt nur 1,5 Liter auf 100 Kilometer) und einem Motor mit grünem Methanol noch viel weniger bei einem konkret erreichbaren Wirkungsgrad von 56%.

(s. dazu den Link, die Sendereihe ‚NANO‘ hat dazu einen Bericht ausgestrahlt, der das sehr gut beschreibt):

https://www.3sat.de/wissen/nano/220524-eauto-nano-100.html

Ich möchte noch hinzufügen, dass der Lademotor immer in gleicher Drehzahl im optimalen Wirkungsgrad-Bereich des Motors läuft. Er startet nur dann, wenn die Batterie einen gewissen Ladezustand unterschreitet oder die Elektromotoren zusätzliche Energie anfordern. Die verhältnismäßig leichtere Batterie ist mir einem Handgriff austauschbar und hat nur ein elektrisches Fassungsvermögen von 17 kWh. Das reicht aber aus, um den elektrischen Antriebsmotoren  beim Anfahren und Beschleunigen genügend Power zu verleihen, so dass das Auto in 4 Sekunden 100 Kilometer in der Stunde erreicht. Die dabei eingesetzte elektrische Energie kann durch rekuperieren  der erreichten genetischen Energie beim dynamischen Bremsen jederzeit fast vollständig zurück gewonnen werden. Trotzdem hat es vollgeladen wegen des geringen Gewichtes  eine Reichweite von über 70 Kilometer. Das heißt, in der Stadt kann es voll elektrisch fahren, der Lademotor läuft erst bei höheren Geschwindigkeiten an, die sich in der Stadt sowieso erübrigen. HInzu kommt auch die geringere Reibung ohne viel Feinstaub und Mikroplastik. Kurzum, man benötigt mit dem Hyper-Hybrid ein Minimum an Treibstoff – elektrisch oder flüssig – um von A nach B zu kommen. Damit übertrifft es alles bisherigen automobilen Fahrzeuge.

  1. Überall in der Welt – auf der Nord- und Süd-Halbkugel – wo die klimatischen Voraussetzungen von Wind und Sonne viel besser sind als bei uns hier im Norden, und durch den Klimawandel viele verödete Flächen entstanden sind, steht preiswerter Boden zur Verfügung, um riesige Fotovoltaik- oder Wind-Anlagen zur Herstellung von Wasserstoff mit anschließender direkter Umwandlung in den H2-Speicher Methanol  (flüssig) umzusetzen. Dieser Energieträger bedarf keinerlei unbezahlbare Investitionen in die Infrastruktur zur sonstigen  Wasserstoff-Gas-Verteilung und Anwendung. Alles ist bereits aus dem fossilen Zeitalter vorhanden. Es bedarf noch nicht einmal der teuren Forschung von Brennstoffzellen, der Verbrennungsmotor erbringt gleiche Effizienz-Ergebnisse.

Das Ganze hat aber noch einen Riesen-Vorteil. Da der Energiegehalt von Wasserstoff und Methanol vom Gewicht her vergleichbar ist, kann die Umwandlung von Wasserstoff in Methanol und umgekehrt von Methanol in Wasserstoff unter Mitwirkung von bereits erforschten Katalysatoren ohne höheren Energieeinsatz erfolgen. Dabei gibt es ein Problem, welches aber preiswert lösbar ist. Um Wasserstoff in Methanol zu verwandeln, benötigt man ein Kohlenstoff-Atom. Das kann, wie im Film über das Hyper-Hybrid-Auto geschildert, aus der Luft gewonnen werden. Das ist jedoch sehr aufwendig und teuer, deshalb benötigt man einen CO2-Kreislauf. Das heißt, in den größeren Verbrauchern wie den in Zukunft unentbehrlichen Kraftwerke, betrieben mit Erdgas im Übergang und später mit grünem Methanol, lässt sich CO2 aus den Abgasen leicht heraus filtern, um es in Form von Kohlensäure transportfähig zu machen. Diese Kohlensäure lässt sich als Rückfracht wieder dorthin transportieren, woher das Methanol kommt.

Alle Welt redet von Wasserstoff, ich rede von Methanol, welches dezentral auch in ärmeren Ländern produziert werden kann und deshalb jegliche Monopole wie bisher bei fossilen Energieträgern verhindert. Dann erhält globale Marktwirtschaft im wahren Sinne sozial-ökologisch wieder eine Chance – eine Entwicklungshilfe in Augenhöhe.

Gestatten Sie mir ein wenig Utopie, sie ist aber glaubwürdiger als die Wolkenkuckucksheime, die derzeit in der Diskussion sind. Zur Ergänzung und zur Vervollständigung habe ich noch weitere Gedanken im folgenden Link hinzugefügt.

Energiehunger

Jean Pütz

Die Hoffnung stirbt zuletzt

MIT zeigt mobile Wasseraufbereitungsanlage

Die Elektrodialyse ist ein elektrochemisch getriebener Membranprozess in dem Ionenaustauschermembranen in Kombination mit einer elektrischen Potentialdifferenz benutzt werden, um ionische Spezies von ungeladenen Lösungsmitteln oder Verunreinigungen abzutrennen. 

(pte) – Salzhaltiges und verkeimtes Wasser lässt sich mit einer tragbaren Aufbereitungsanlage, die kaum zehn Kilogramm wiegt, in zertifiziertes Trinkwasser verwandeln. Hochdruckpumpen, wie sie bei der Umkehrosmose eingesetzt werden müssen und die viel Energie verbrauchen, benötigen die Entwickler vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://mit.edu nicht. Ebenso wenig Filter, die von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden müssen. Jongyoon Han und sein Team setzen eine Technik ein, die extrem wenig Strom verbraucht. Ein kleines Solarpanel liefert bereits genug. Der Prototyp begnügt sich mit 20 Watt. Pro Stunde erzeugt er so 0,3 Liter bestes Trinkwasser.

Spannung mit Reinigungswirkung

Das Rohwasser, das es zu reinigen gilt, fließt zwischen zwei Membranen hindurch, zwischen denen eine elektrische Spannung herrscht. Sie ziehen elektrisch positiv und negativ geladene Partikel an sich, sodass das Wasser im Zentrum davon befreit wird. Die Chlor- und Natriumionen sowie die negativ geladenen Viren und Bakterien sammeln sich in der Nähe der Membranen an, werden von Wasserstrahlen abgespült und in die Umwelt entlassen, im Normalfall ins Meer oder ein kontaminiertes Gewässer, aus denen sich die Anlage bedient.

Mit dieser Technik verbleiben im Hauptstrahl normalerweise noch Salzreste, die in einer zweiten Komponente, der Elektrodialyse, entfernt werden. Um die beiden Verfahren optimal aufeinander abzustimmen, haben Han und seine Kollegen ein maschinelles Lernverfahren eingesetzt. Das Gerät ist so konstruiert, dass jeder Laie damit zurechtkommt. Er muss lediglich auf den Startknopf drücken und warten, bis das Ende des Prozesses signalisiert wird. Dann kann das Trinkwasser entnommen werden.

Tests am Bostoner Carson Beach

Nachdem Laborexperimente mit Wasser mit unterschiedlichem Salzgehalt und Trübungsgrad erfolgreich waren, haben die Forscher das Gerät am Bostoner Carson Beach getestet. Die Entwickler stellten es in der Nähe des Ufers auf und legten einen Ansaugschlauch ins Wasser. „Es war schon in seinem ersten Lauf erfolgreich, was ziemlich aufregend und überraschend war“, so Han. Das resultierende Wasser übertraf die Qualitätsrichtlinien der Weltgesundheitsorganisation. Das Gerät könne im Katastrophenfall und in abgelegenen Regionen die Trinkwasserversorgung sichern.

Wärmepumpen, KWK-Anlagen und Pufferspeicher ergänzen sich: eine Studie der RWTH-Aachen

(bkwk) – Rund die Hälfte aller Wohnungen in Deutschland werden aktuell mit Gas beheizt. Die Pläne der Bundesregierung, dass ab dem Jahr 2024 möglichst jede neu installierte Heizung mit mindestens 65 Prozent erneuerbarer Energie betrieben werden soll, sorgt in den nächsten Jahren aller Voraussicht nach für einem massiven Wärmepumpenausbau. Vor dem Hintergrund, dass die Elektrifizierung auch in anderen Sektoren, insbesondere bei der E-Mobilität, weiter zunehmen wird, stellen sich für die örtlichen Stromverteilnetze, aber auch für das übergeordnete Stromsystem insgesamt, enorme Herausforderungen, die solche Vorhaben schnell ausbremsen könnten.

Kraft-Wärme-Kopplung

Die im Auftrag des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfachs e. V. (DVGW) durchgeführte Studie “Ein nachhaltiger Wärmemarkt” von Frontier Economics und der RWTH Aachen zeigt, welche Möglichkeiten die gasbasierte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) als stabilisierendes Systemelement bietet.

„Heizen in Deutschland muss auch in Zukunft zuverlässig und sozialverträglich sein. Ausschließlich auf Elektrifizierung zu setzen würde die Systemstabilität gefährden. Ein 80-prozentiger Wärmepumpenausbau erfordert alleine für den Wegfall der gasbasierten Heizungen eine zusätzliche Leistung von 65 Gigawatt. Zudem sichern heute noch etwa 48 Gigawatt Kohle und Kernkraft die steuerbaren Leistungen in Deutschland ab. In Summe ergibt dies eine Lücke von 113 Gigawatt. Der Ersatz der fünf Millionen Ölheizungen ist hier noch nicht inkludiert”, so Prof. Dr. Gerald Linke, Vorstandsvorsitzender des DVGW.

„Große EE-Stromkapazitäten werden die erforderliche Leistung in Zeiten einer Dunkelflaute nicht vollständig hergeben, und auch Flexibilisierungsoptionen der Verbraucher reichen nicht aus, um das Problem zu lösen. Auch die finanziellen Belastungen für die Verbraucherinnen und Verbraucher können zunehmen, wenn ihnen heute subventionierte Wärmepumpen versprochen werden und man sie später mit extrem hohen Folgekosten strombasierter Wärmebereitstellung allein lässt“, so Linke weiter.

Resiliente Wärmeversorgung braucht einen funktionierenden, technologieoffenen Heizungsmarkt

Anhand eines für Deutschland repräsentativen Vorstadt-Netzes mit 144 Ein- und Mehrfamilienhäusern wurden in der Studie die Herausforderungen für die Verteilnetze errechnet und auf das Stromübertragungsnetz bzw. auf das gesamte Bundesgebiet abstrahiert. Um erneuerbaren Strom vom Norden in den Süden zu transportieren, wären zusätzlich 27 Gigawatt Übertragungsleistung erforderlich. Derartige Investitionen in das Stromsystem können die Strompreise um bis zu 53 Prozent ansteigen lassen.

Um eine resiliente Wärmeversorgung zu gewährleisten, ist daher ein funktionierender, technologieoffener Heizungsmarkt unerlässlich, der dem heterogenen Gebäudebestand gerecht wird, dauerhaft sozialverträgliches Heizen sicherstellt und die perspektivische Einbindung klimaneutraler Gase wie Wasserstoff ermöglicht.

Die KWK-Technologie erzeugt dezentral neben Wärme auch Strom für den Betrieb der neuen elektrischen Verbraucher und kann somit die wegfallenden zentralen und gesicherten Stromerzeugungsleistungen durch Kohle und Kernkraft zumindest teilweise ersetzen. Je nach Ausbaustufe der Wärmepumpen können KWK-Anlagen die Stromnachfrage aus dem Verteilnetz um fast zwei Drittel reduzieren. “Bei geschickter Auslegung der Wärmepumpen, KWK-Anlagen und Pufferspeicher kann die Gleichzeitigkeit der Wärmeanforderung in einem Quartier optimal zu Reduktion der Spitzenlasten in einem Verteilnetz genutzt werden. Es bietet sich an, Gebäude mit höherem Wärmebedarf, wie beispielsweise Mehrfamilienhäuser, mit KWK-Anlagen auszustatten, die dann Strom für die Wärmepumpen in Einfamilienhäusern liefern“, resümiert Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller, Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik, RWTH Aachen, Direktor des Instituts für die Modellierung von Energiesystemen, Forschungszentrum Jülich sowie Prodekan der Fakultät für Maschinenwesen an der RWTH Aachen.

Die DVGW-Studie kommt in der Gesamtbetrachtung der untersuchten Aspekte zu dem Ergebnis, dass die KWK-Technologie die Erreichung der aktuellen energiepolitischen Ziele der Bundesregierung dabei unterstützt, die Anwendungssektoren zu großen Teilen zu elektrifizieren. Gasbasierte Kraft-Wärme-Kopplung sollte somit Bestandteil jeder zukünftigen kommunalen Wärmeplanung sein.

Ausreichende H2-Mengen ab 2030

Ein weiterer Untersuchungsgegenstand der DVGW-Studie „Ein nachhaltiger Wärmemarkt“ war, die Verfügbarkeit klimaneutraler Gase zu ermitteln. Hier konnte der Nachweis erbracht werden, dass es ausreichend Wasserstoffmengen für den Bedarf in Deutschland ab dem Jahr 2030 geben wird. Über diesen Aspekt hatte der DVGW in einer Presseinformation am 2. März 2022 informiert. Dr. Christoph Gatzen von Frontier Economics stellt die Ergebnisse am 5. April 2022 in einem öffentlichen Online-Vortrag vor.

Methanol, flüssige Wasserstoffspeicherung

Die Wasserstoffspeicherung ist die umkehrbare Aufbewahrung von Wasserstoff, mit dem Ziel, dessen chemische und physikalische Eigenschaften für eine weitere Verwendung zu erhalten. Die Speicherung umfasst die Vorgänge der Einspeicherung oder Speicherbeladung, der zeitlich befristeten Lagerung und der Ausspeicherung oder Speicherentladung. Konventionelle Methoden der Speicherung von Wasserstoff sind:

Die Wasserstoffspeicherung ist die umkehrbare Aufbewahrung von Wasserstoff, mit dem Ziel, dessen chemische und physikalische Eigenschaften für eine weitere Verwendung zu erhalten. Die Speicherung umfasst die Vorgänge der Einspeicherung oder Speicherbeladung, der zeitlich befristeten Lagerung und der Ausspeicherung oder Speicherentladung. Konventionelle Methoden der Speicherung von Wasserstoff sind:

Wie kann Wasserstoff gespeichert werden und Aufwand und Energiebedarf
Kompressoren)

Flüssiggasspeicherung (Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten)

Alternative Formen der Speicherung von Wasserstoff nutzen die physikalische oder chemische Bindung an einen anderen Stoff:

Absorption im Metallhydridspeicher (Speicherung als chemische Verbindung zwischen Wasserstoff und einem Metall bzw. einer Legierung)

Adsorptionsspeicherung (adsorptive Speicherung von Wasserstoff in hochporösen Materialien)

chemische Bindung, bei der der Wasserstoff durch eine chemische Reaktion in einen anderen Stoff überführt wird, der z. B. drucklos und bei Raumtemperatur gelagert und transportiert werden kann („Chemisch gebundener Wasserstoff“). Bei der Ausspeicherung erfolgt dann die Umkehrreaktion. Beispiele sind Hydrierung organischer Substanzen oder Bildung von Alkoholen mit CO.

Problemstellung

Wegen seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften unterscheidet sich der Umgang mit Wasserstoff von den bisher genutzten Energieträgern.

Wasserstoff bildet beim Austreten ein entzündliches Gemisch mit der Umgebungsluft, bei einem Anteil von 4 % bis 75 %. Ein explosives Gemisch (Knallgas) bildet Wasserstoff erst bei einem Anteil von 18 %. Weil Wasserstoff eine hohe Diffusionsneigung hat und Gemischwolken aus Wasserstoff und Luft eine geringere Dichte als gewöhnliche Luft haben, verflüchtigt es sich in offener Umgebung in der Regel, bevor es ein explosives Gemisch bilden kann, oder es brennt in heißen Umgebungen bereits bei der Konzentration von 4 % ab.

Wasserstoff hat im Vergleich zu vielen Kohlenwasserstoffen eine niedrige Verbrennungsenthalpie und damit eine niedrige volumenbezogene Energiedichte (ca. 1/3 von Erdgas). Das erfordert zum Speichern äquivalenter Energiemengen einen dreimal so großen Tank oder einen dreimal so hohen Druck wie für Erdgas. Auf Grund der geringen molaren Masse ergibt sich jedoch eine vergleichsweise hohe massenbezogene Energiedichte (z. B. mehr als die doppelte massenbezogene Energiedichte von Erdgas).

Durch seine geringe Molekülgröße diffundiert Wasserstoff relativ gut durch eine Vielzahl von Materialien, sodass viele Materialien für die Tankhülle ungeeignet sind. Durch hohe Temperaturen und hohen Innendruck wird der Diffusionsprozess verstärkt. Durch Wasserstoffversprödung werden metallische Tankhüllen zusätzlich belastet. Bei Hüllen aus Kunststoff tritt dieser Effekt nicht auf.

Bei der kryogenen Wasserstoffverflüssigung kommt es durch unvermeidbare thermische Isolationsverluste zum Verdampfen/Ausgasen. Damit der Druck in den Behältern nicht zu hoch steigt, wird das Wasserstoffgas mittels eines Überdruckventils abgelassen. Kann dieses entstehende Wasserstoffgas nicht genutzt werden, entstehen erhebliche Verluste. Beispielsweise leert sich der halbvolle Flüssigwasserstofftank des BMW Hydrogen7 bei Nichtbenutzung in 9 Tagen.[1]

Nicht nur zur Herstellung von Wasserstoff, sondern auch zur Speicherung werden große Energiemengen benötigt (Kompression ca. 12 %, Verflüssigung ca. 20 %). Daher ist die Wasserstoffspeicherung trotz vieler Vorteile derzeit (2021) oftmals unwirtschaftlich.

Arten der Wasserstoffspeicherung

Die unterschiedlichen Einsatzbereiche von sauberem Wasserstoff nach ihrer Wirtschaftlichkeit zugeordnet.

Bei den Verfahren zur technischen Speicherung von Wasserstoff in elementarer Form sind Druckbehälter erforderlich, wofür oft eine metallische Außenhülle verwendet wird. Das gilt auch für Flüssiggasspeicher und Metallhydridspeicher, die einen temperaturabhängigen Innendruck aufweisen. Für die Hochdruckspeicherung bei 700 bar finden auch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe Verwendung, um das Gewicht des Tanks niedrig zu halten.

Für große Mengen in stationären Systemen sind derzeit Flüssiggasspeicher in Verwendung. Für kleine Mengen werden Druckspeicher bis 700 bar eingesetzt. Metallhydridspeicher werden dort verwendet wo das Speichergewicht keine große Rolle spielt, etwa auf Schiffen. Für Fahrzeuge und Flugzeuge werden wegen des geringen Gewichtes heute ausschließlich Drucktanks verwendet:

Toyota setzt ihn in seinem Brennstoffzellen-Fahrzeug FCHV-adv ein und erreicht damit eine Reichweite von 830 km.[26][27] Das Fahrzeug befindet sich bereits im kommerziellen Einsatz und kann geleast werden.[28]

Volkswagen baut einen 700-bar-Wasserstofftank im Tiguan HyMotion ein,[29] Mercedes im A-Klasse F-Cell „plus“ und Opel im HydroGen4.[30]

Bei Bussen werden inzwischen auch Drucktanks verwendet, wie z. B. im Citaro Fuel Cell Hybrid von Mercedes.[31]

Firmen, die in die Forschung und Produktion von Wasserstoffspeichern involviert sind, sind z. B. in Deutschland die Linde AG, in Norwegen und Island StatoilHydro[32] und in den USA Quantum Fuel Technologies Worldwide.[33]
Brennstoffzellen-SchienenfahrzeugeBearbeiten

 

Unfallgefahr

Die heute industriell eingesetzte Technik berücksichtigt die Hochentzündlichkeit des Wasserstoffes sowie seine Eigenschaft, explosives Knallgas zu bilden. Leitungen und Tanks sind entsprechend ausgelegt,[4][5] so dass im täglichen Gebrauch keine größeren Risiken entstehen als z. B. durch die Verwendung von Benzin.[34][35][36]

Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt. Fahrzeuge mit Flüssigwasserstoffspeichern dürfen wegen der unvermeidlichen Ausgasung nicht in geschlossenen Räumen abgestellt werden.

 

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle verbessert

(pte) – Eine aus dem Gewürz Kurkuma gewonnene Substanz könnte bei Direktethanol-Brennstoffzellen den Durchbruch bringen, wie Forscher des Clemson Nanomaterials Institute (CNI) http://scienceweb.clemson.edu/cni und des Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning http://sssihl.edu.in sagen. Die von ihnen entwickelte Elektrode ist eigenen Angaben nach 100 Mal effektiver als bisher eingesetzte. Die Experten haben Curcumin, Hauptbestandteil von Kurkuma, und Nanopartikel aus Gold kombiniert. „Von allen Katalysatoren für die Alkoholoxidation ist derjenige, den wir entwickelt haben, der bisher beste“, sagt CNI-Gründungsdirektor Apparao Rao.

Spiel der Elektronen

Konzentration auf Anode

„Um die Direktethanol-Brennstoffzelle zu einem kommerziellen Produkt zu machen, müssen die Elektroden hocheffizient sein. Wir wollten auch keine sehr teuren Elektroden oder synthetischen Polymersubstrate einsetzen, die nicht umweltfreundlich sind“, erklärtCNI-Forschungsassistent Lakshman Ventrapragada. So kamen die Fachleute auf die goldbeschichteten Curcumin-Partikel, die die Aktivität an der Anode deutlich verbessern. Dort wird das Ethanol oxidiert. Elektronen werden abgegeben, die als elektrischer Strom genutzt werden. Da Gold in Form von Nanopartikeln verwendet wird, ist die Menge äußerst gering, sodass dieser Katalysator deutlich billiger ist als Platin, das bisher bevorzugt erprobt wurde.

Der neue Katalysator ist auch deutlich haltbarer, die Lebensdauer steigt also massiv an. Daran ist im Wesentlichen das Curcumin beteiligt. Es verhindert, dass die Goldteilchen miteinander verklumpen, sodass sich die wirksame Oberfläche verringert und weniger Ethanol oxidiert, was den Stromfluss schwächt. Das Gewürzextrakt sorgt dafür, dass die Partikel ein stabiles Netzwerk auf der Oberfläche der Anode bilden. „Im nächsten Schritt wollen wir den Prozess skalieren und mit einem industriellen Partner zusammenarbeiten, der die Brennstoffzellen tatsächlich herstellen kann“, verdeutlicht Rao abschließend.

Methanol, Anwendung Vorteile Nachteile

Du fängst den Wind niemals ein, der Wind will nicht gebunden sein, rastlos weht er über Stadt und Land und hält nicht an. Ein Liedtext von Howard Carpendale, Fred Jay und Wilhelm Brech aus dem Jahre 1974. Man kann den Wind nicht einfangen, aber die Windenergie nutzen.

Energie aus Windkraft kann man natürlich nur gewinnen, wenn der Wind weht. Da gibt es ein kleines Problem: Oft entsteht die Energie, wenn man sie gar nicht benötigt und benötigt man Energie, dann geht kein Wind. Die überschüssige Energie muss also gespeichert und transportiert werden.

Nun gibt es seit mehreren Jahren bereits die Idee Wasserstoff als Energieträger zu benutzen. Also die Energie in Wasserstoff zu speichern. Da gibt es aber das nächste Problem! Wasserstoff lässt sich in der Elektrolyse zwar relativ gut erzeugen, ist anschließend aber weder als Gas noch als Flüssigkeit einfach genug handhaben.

Ein Umweg könnte der Metha-Cycle sein: Aus der Elektroenergie durch Windkrafträder oder Photovoltaikanlagen wird Wasserstoff erzeugt. Dieser wiederum wird mit CO2 in Methanol umgewandelt. Methanol kann man in geschlossenen Behältern speichern und transportieren. Gelinde gesagt, ein recht großer Umweg. Aber wo wir gerade beim Thema sind

Warum nutzt man nicht Methanol als Kraftstoff?

Der Methanol-Kraftstoff hat viele Bezeichnungen: M100, Methol, Spritol, Methyloxyhydrat, Methynol, Pyroholzether, Spiritol, Holzin, Holzalkohol, Holzspiritus, Karbinol, Holzgeist, Carbinol, Methylalkohol sind die gängigsten Synonyme für den Kraftstoff.

Die chemische Summenformel von Methanol ist CH₃OH, die Dichte beträgt 0,79 kg/l wir haben einen Heizwert von 4,4 kWh/ l und einen Brennwert von 5,0 kWh/l. Die Daten sind von reinem Methanol.

Reines Methanol hat tatsächlich zahlreiche Vorteile. Methanol ist leicht entzündlich und verbrennt an der Luft sauber (ohne sichtbare Flamme) zu Kohlendioxid und Wasser. Technisches Methanol reduziert durch einen höheren Wasseranteil die Heiz- und Brennwerte. Methanol verfügt über eine hohe Klopffestigkeit (ROZ 106-114). Das erlaubt ein höheres Verdichtungsverhältnis im Vergleich zu klassischen Benziner oder Diesel-Motoren.

Wegen den Vorteilen wird Methanol oft als westlicher Bestandteil von Rennkraftstoffen eingesetzt. Im Vergleich zu Benzinmotoren könnte eine bis zu 10 % höhere Motorleistung und ein etwa 15 % besserer thermischer Wirkungsgrad erzielt werden, der Kraftstoffverbrauch müsste sinken. Methanol könnte vom Prinzip her alle flüssigen Kraftstoffe, die heute in der Infrastruktur im Einsatz sind, langfristig ersetzen. Selbst Flugbenzin könnte man aus Methanol herstellen.

Methanol gibt es bereits als Kraftstoff!

Methanol (M100) ist als Kraftstoff in der EU bereits genormt und enthält mindestens 82% Methanol. In China ist man etwas weiter. Dort gibt es bereits M100-Tankstellen sowie die passenden Fahrzeuge, die nun in einem Feldversuch den Kraftstoff erproben. Die Herstellungskosten für den M100 Kraftstoff sind günstiger als bei den klassischen flüssigen Kraftstoff, auch die Herstellungskosten der Fahrzeuge könnten gesenkt werden. Der Kraftstoff Methanol ist darüberhinaus noch gut biologisch abbaubar.

Methanol kann also aus einer breiten Palette von Rohstoffen hergestellt werden, was es zu einem der flexibelsten chemischen Rohstoffe und Energiequellen macht. Methanol ist darüber hinaus der weltweit am häufigsten verschiffte chemische Rohstoff und gehört zu den fünf am häufigsten gehandelten Chemikalien der Welt. Es wird seit über 100 Jahren sicher gelagert, transportiert und gehandhabt. Methanol weist viele wünschenswerte Eigenschaften auf, die es zu einem ausgezeichneten Kraftstoff für Ottomotoren machen, darunter eine hohe Oktanzahl und eine verbesserte Effizienz.

Für Automobilhersteller enthält Methanol Sauerstoff für eine sauberere Kraftstoffverbrennung, eine niedrigere Siedetemperatur für eine bessere Kraftstoffverdampfung und eine höhere Mischoktanzahl für eine sanftere Verbrennung und eine bessere Motor-Innenkühlung.

Im Vergleich zu Benzin hat Methanol eine geringere Flüchtigkeit, Dampfdichte und Wärmefreisetzungsrate bei einem Poolbrand. Es erfordert auch eine höhere Konzentration, um ein brennbares Gemisch in der Luft zu bilden. Ein weiterer Vorteil von Methanol ist jedoch, dass dank seiner Mischbarkeit reine Methanolbrände mit Wasser gelöscht werden können. Methanol-Benzin-Mischungen werden auf der ganzen Welt verwendet, vor allem in China, wo die Nachfrage weiter steigt. Methanol ist eine Schlüsselkomponente bei der Herstellung von Biodiesel.

Wo viel Licht, da gibt es natürlich auch Schatten: Die Nachteile von Methanol

Methanol kann sehr gefährlich und giftig sein, vor allem wenn man es nicht sorgfältig und sicher handhabt. Das gilt übrigens auch für andere alternative Kraftstoffe sowie für Benzin und Diesel, aber die Einnahme von Methanol kann zur Erblindung oder bei höheren Dosen auch zum Tod durch Atemlähmung führen. Das Gefährliche ist, dass sich Methanol in Geruch und Geschmack nicht von Ethanol unterscheiden lässt. Deshalb funktioniert unsere eingebaute Gefahrenerkennung bei Methanol nicht.

Wo wir gerade bei einer Atemwegerkrankung sind: Methanol ist ein Industrieprodukt, welches giftig ist und aus dem Grund auch nicht in Handdesinfektionsmitteln und Flächendesinfektionsmitteln verwendet werden darf, wenn die Gefahr einer Exposition durch Hautkontakt, Einatmen oder Verschlucken besteht. Also vor Corona bzw. einer COVID-19 Infektion wird uns Methanol nicht schützen.

Tanken wir in der Zukunft anstatt Wasserstoff vielleicht Methanol?

Methanol könnte aber der Kraftstoff der Zukunft sein, bei Bedarf kann man aus dem Methanol wieder den Wasserstoff ziehen und anschließend zur Stromerzeugung nutzen. Die Energie ist ja nie weg, sie ist immer nur anders gespeichert. Im physikalischen Sinne kann Energie nicht verlorengehen, sie wird nur nicht genutzt.

Klingt zu schön um wahr zu sein, oder?

Es gibt bereits eine Testanlage zur Wasserstofferzeugung aus Methanol. Errichtet wurde diese an der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) in Erlangen-Nürnberg. Die Brennstoffzelle als Teil des Demonstrators produzierte dauerhaft Strom mit einer Leistung bis zu 39 Watt. Das reicht zum Beispiel um eine Leuchtstofflampe aufleuchten zu lassen, vielleicht sollten wir doch über andere Kraftstoffe nachdenken?

Auf der IAA 1997 stand der Mercedes-Benz NECAR3, der von einer Methanol-Brennstoffzelle versorgt wurde. Bedingt durch den Platzbedarf des Methanol-Reformers hatte das Fahrzeug allerdings nur zwei Sitze. Ein Methanol-Reformer wird in der Brennstoffzellentechnik verwendet, um aus einem Methanol-Wasser-Gemisch unter Freisetzung von Kohlendioxid reinen Wasserstoff zu erzeugen. Mit dem Mercedes-Benz NECAR 3, der auf der A-Klasse der Baureihe 168 basierte, konnte eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h erzielt werden. Die Idee kein Wasserstoff in Druckgastanks mitzuführen ist also ein alter Hut.

Cyanobakterien wandeln Licht in Strom um

(pte) – Forscher der University of Cambridge http://cam.ac.uk sind ein gutes Stück auf dem Weg hin zur lebenden Batterie vorangekommen. Sie haben per 3D-Druck unzählige eng beieinanderstehende Nanotürmchen gebaut, in denen sich Cyanobakterien wohlfühlen. Diese wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um, die sie selbst verbrauchen. Der chinesisch-australischen Chemikerin Jenny Zhang, die derzeit in Cambridge forscht, und ihrem Team ist es gelungen, einen Teil der Elektronen, die die Bakterien erzeugen, abzuzweigen und als elektrischen Strom zu nutzen.

Material gibt den Ausschlag

Das ist auch anderen Forschern schon gelungen, doch die Ausbeute bei den Mikroorganismen in den Nanotürmchen ist weitaus größer. „Es gab einen Engpass in Bezug darauf, wie viel Energie man tatsächlich aus fotosynthetischen Systemen extrahieren kann, aber niemand verstand, wo der Engpass war. Die meisten Wissenschaftler gingen davon aus, dass der Engpass auf der biologischen Seite lag, in den Bakterien, aber wir haben festgestellt, dass er auf der materiellen Seite lag“, so Zhang.

Um zu wachsen und Elektronen zu erzeugen, brauchen Cyanobakterien viel Sonnenlicht. Um die Energie, die sie durch Fotosynthese produzieren, zu extrahieren, müssen die Bakterien an Elektroden befestigt werden. Die Türmchen, zwischen denen die Cyanobakterien leben und sich pudelwohl fühlen, bestehen aus einem leitfähigen Metalloxid, fungieren also als Elektroden, die die produzierten Elektronen ableiten, sodass sie nutzbar sind. Verglichen mit anderen Techniken erhöhte sich die Ausbeute um eine ganze Größenordnung.

Alleskönner Cyanobakterien

„Ich war selbst überrascht, dass wir eine so hohe Ausbeute haben“, sagt Zhang. Doch schon vor vielen Jahren seien Prognosen abgegeben worden, dass derartige Zahlen erreicht werden können. „Dies ist jedoch das erste Mal, dass diese Zahlen experimentell bestätigt wurden.“ Das lasse auch für andere Prozesse hoffen, in die Cyanobakterien verwickelt sind. Diese Mikroorganismen seien lebende chemische Fabriken, die sich auch zur Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien nutzen lassen. Zhang glaubt, dass die neuen Erkenntnisse die Ausbeute auch bei diesen Prozessen verbessern.