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.

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(pte) – Forscher der Universitäten Tsukuba http://www.tsukuba.ac.jp/en und Osaka http://www.osaka-u.ac.jp/en haben die Effektivität von porösen Zinn-Katalysatoren zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre und folglich Umwandlung in Treibstoffe oder Rohstoffe für die chemische Industrie um das 24-Fache verbessert.

Umwandlung in Formiat

Katalysatoren dieser Art werden genutzt, um CO2 in Formiat umzuwandeln, ein Salz der Ameisensäure. Es setzt Wasserstoff frei, der eine Brennstoffzelle versorgen kann, die Strom erzeugt. Doch die Ausbeute ist zu gering, und es entstehen unerwünschte Nebenprodukte. Die japanischen Forscher haben den Zinn-Katalysator mit dem Kunststoff Polyethylenglycol (PEG) beschichtet.

„Wir wollten ein katalytisches System entwickeln, das CO2 aus der Luft einfängt und in Formiat umwandelt“, sagt Forschungsgruppenleiter Yoshikazu Ito. „Es ist jedoch schwierig, nur das gewünschte Produkt mit hoher Ausbeute zu erhalten. Daher mussten wir das Katalysator-Design verfeinern.“ Dies gelang. Mit dem neuen Katalysator liegt die Formiat-Ausbeute laut den Experten bei 99 Prozent.

Optimale Dicke wichtig

Zuerst hatten es die Forscher mit einer Polyethylenimin-Beschichtung versucht, einem anderen Kunststoff. Das brachte eine Verbesserung, weil er sehr effektiv im Einfang von CO2-Molekülen war. Doch er hielt sie zu lange fest, sodass die Umsetzung in Formiat mit Verzögerung geschah.

Entscheidend für den Erfolg war die Optimierung der PEG-Dicke. Zu dünn aufgetragen, lockte der Kunststoff zu wenige CO2-Moleküle an, die aber leicht zum katalysierenden Zinn vordringen konnten. War die Kunststoffschicht zu dick, fing sie zwar viele CO2-Moleküle ein, doch sie hatten Mühe, zum Zinn vorzudringen. Mit einer optimalen Dosierung des PEG erreichten die Forscher die richtige Balance.

(NZZ) – «Wir müssen uns beim Kampf gegen den Klimawandel sputen», sagte die deutsche Kanzlerin Angela Merkel, als sie die Unwettergebiete in ihrem Land besuchte. Und sie ist damit keineswegs allein: Allenthalben wird nach den jüngsten Überschwemmungen eine Beschleunigung der Klimapolitik gefordert.

In dieser Diskussion ist bis jetzt aber ein Thema in weiten Kreisen tabu: der Ausstieg diverser Industriestaaten aus der Kernkraft nach dem Reaktorunfall von Fukushima. Deutschland stellt als vermeintlicher Musterknabe bereits nächstes Jahr seine letzten Kernreaktoren ab – während Kohlekraftwerke weiterlaufen. Das ist absurd.

Die Schweiz ist zwar etwas weniger rigoros, weil sie nicht gleich alle Kernkraftwerke vom Netz nimmt, aber auch das Schweizer Stimmvolk hat 2017 den schrittweisen Ausstieg gutgeheissen. Gerade in der Wirtschaft macht man sich deshalb Sorgen um die längerfristige Versorgungssicherheit – Magdalena Martullo-Blocher von der Ems-Chemie ist im «Blick» mit der Unterstützung der Atomkraft zwar vorgeprescht, aber unter Industriellen ist sie mit ihrer Meinung keineswegs allein.

Gewiss, die Erinnerungen an Fukushima und hier in Europa besonders an Tschernobyl sind haften geblieben. Dennoch gehört die Kernkraft zusammen mit den Erneuerbaren Wind, Sonne und Wasserkraft nicht nur zu den saubersten Energiequellen, sie ist auch vergleichsweise sicher – jedenfalls wenn man die verursachten Todesfälle in Beziehung zur produzierten Strommenge setzt.

Kernkraftwerke haben zudem den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu den riesigen Wind- oder Solarfarmen kaum die Landschaft verschandeln, da sie auf wenig Fläche Platz haben. Das ist im Hinblick auf eine 10-Millionen-Einwohner-Schweiz ein Vorteil.

Es ist keine Frage: Soll die Dekarbonisierung auch im Verkehr und im Wärmesektor gelingen, braucht es künftig nicht weniger, sondern mehr Strom, und dieser sollte möglichst nicht mehr aus fossilen Energieträgern stammen. Wenn man nun vor allem auf Wind und Sonne setzt, wird Elektrizität für Konsumenten und Unternehmen viel teurer als nötig, weil deren Stromerzeugung stark schwankend ist.

Betreiber bestehender Kernkraftwerke sollten diese deshalb so lange wie von der Sicherheit her möglich laufen lassen können. In vielen Fällen werden das sechzig Jahre sein, zuweilen auch achtzig Jahre. Deutschland hat sich dieser Möglichkeit jedoch bereits beraubt – ein kapitaler Fehler.

In Industrieländern kann es zwar nicht darum gehen, dass der Staat nun selbst in die Kernkraft investiert. Das müssen, wenn schon, private Investoren übernehmen. Geld sollte die öffentliche Hand aber weiterhin in die Forschung stecken. Und Regierungen können die Rahmenbedingungen ändern, so dass Kernkraftwerke überhaupt eine Chance haben – dort, wo sie noch zugelassen sind. Erstens wird zuverlässige Leistung heute nicht angemessen honoriert. Und zweitens macht eine spürbare CO₂-Abgabe auch Kernkraft konkurrenzfähiger.

Es ist eines, wenn sich wohlstandsverwöhnte Länder wie die Schweiz und Deutschland dazu entscheiden, ganz auf die Kernenergie zu verzichten. Man sollte aber nicht auch noch Schwellenländer erziehen wollen. Es wäre jedenfalls fürs Klima viel gewonnen, wenn China statt der vielen geplanten Kohlekraftwerke stärker auf Kernkraft setzen würde.

Das Hauptwachstum des CO₂-Ausstosses findet in den Schwellenländern statt. Doch etwa die Weltbank, die Energieprojekte in diesen Staaten mit Milliarden unterstützt, hat kürzlich gerade bekräftigt, dass sie weiterhin keine Kredite für Kernkraft vergibt. Einer Fussnote in ihrem Aktionsplan entnimmt man, es mangle der Institution an entsprechender Expertise.

Der möglichst rasche Ausstieg aus der Kernenergie ist keine gute Politik, sondern scheint angesichts der gewaltigen Herausforderung des Klimawandels zunehmend rückwärtsgewandt. Es gilt vielmehr, Vor- und Nachteile der Kernkraft neu abzuwägen. Sie hat einen frischen Blick verdient.

Norbert Lossau ist Doktor der Physiker und Wissenschaftsjournalist. Er leitet bei der ‚Welt‘ die Redaktion ‚Technik und Wissenschaft‘ und hat seinerzeit in meiner Redaktion im WDR-Fernsehen seine Laufbahn begonnen und gehört zu den Wissenschaftlern, die wie ich die notwendige Klimarettung kritisch verfolgen. Er ist wie ich Realist und nicht gesponsert durch staatliche Subventionen und sonstige Zwänge. Auch er sieht Wasserstoff und seine Weiterverarbeitung zu Methanol und zu synthetischen Kraftstoffen als eigentliche Lösung einer realistischen CO2-Neutralität. Allerdings reicht die auf deutschem Territorium gewonnene regenerative Energie nicht aus und setzt ebenfalls auf internationale Kooperation z. B. mit Ländern der 3. Welt.

Jean Pütz

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