Archiv der Kategorie: Physik, Chemie, Technik

Neuer Katalysator baut Abwässer zu Wertstoffen um

Physik, Chemie, Technik

(pte) – Abwässer, die Kohlenstoff und Nitrate enthalten, lassen sich mithilfe eines neu entwickelten Katalysators der Yale University in Methylamin umwandeln, eine heiß begehrte Chemikalie, aus der eine Vielzahl von Produkten hergestellt wird. „Das Verfahren, das wir entwickelt haben, könnte die nachhaltige Synthese von Methylamin aus Umweltabfällen unter Verwendung erneuerbarer Elektrizität bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck ermöglichen“, sagt Yale-Forscher Hailiang Wang.

Auf den Katalysator kommt es an
Der mit Forschern der Southern University of Science and Technology  entwickelte Prozess besteht aus acht teilweise gleichzeitig ablaufenden Reaktionen. Unter anderem werden CO2 und Nitrate, die aus Überdüngung stammen, reduziert. Die schädlichen chemischen Verbindungen werden in umweltverträglichen Kohlenstoff und Stickstoff aufgespalten, einen harmlosen Bestandteil der Luft. Aus Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff, die zwischenzeitlich entstehen, bildet sich Methylamin. Es wird normalerweise aus Methanol und Ammoniak hergestellt, also letztlich aus Erdgas.

Der neue Kat ist laut dem Experten ein abgewandeltes Kobaltphthalocyanin. Es wird auf Kohlenstoffnanoröhrchen befestigt. Auslöser für die Entwicklung war ein Brief, den Wang 2019 bekam, nachdem er über einen neuen Katalysator berichtete, der bei der Spaltung von CO2 hilft. Robert Tuttle, ein Yale-Absolvent, schrieb aus Naples in Florida: „Aus dem Okeechobee-See gelangt nach starken Regenfällen Wasser in den Golf von Mexiko und den Atlantik. Wegen der darin enthaltenen Nitrate und Phosphate führt das zu übermäßiger Algenblüte und dem Absterben von Meeresbewohnern.“ Ob Wang nicht einen Katalysator entwickeln könne, der die Schadstoffe im See unschädlich macht. Da machte er sich der Wissenschaftler an die Arbeit.

Wie können Corona-Viren in der Raumluft reduziert werden?

Klassische Medizin, Physik, Chemie, Technik

(DPG) – Die Covid-19-Pandemie wird uns noch lange in Atem halten. Schutzscheiben können das direkte Infektionsrisiko mit Coronaviren in Schulen, Büros, Sitzungsräumen, Restaurants, Warte- oder Empfangsbereichen sowie an Kassen oder Theken in Geschäften allerdings wirkungsvoll reduzieren. In Kombination mit Raumlüftern sind sie wichtige Elemente zum Schutz gegen Ansteckungen.

Das zeigen aktuelle Forschungsergebnisse, die ein neues Physikkonkret der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) vorstellt. Gestaltete man die Schutzscheiben clever, können sich Personen sogar eine Zeit lang über kurze Abstände ohne lästige Maske unterhalten. Die Mimik bleibt dadurch sichtbar, was in Handel, Verkauf und insbesondere im Schulunterricht wichtig ist. Masken müssen dann nur noch getragen werden, wenn kein ausreichender Abstand voneinander mehr möglich ist: Beim Laufen über Gängen beispielsweise oder wenn die Lehrerin oder der Lehrer der Schülerin oder dem Schüler am Platz etwas zu erklären hat.

Der Einbau von Schutzwänden sowie von Ventilatoren und mobilen Raumluftreiniger sollte daher nach Ansicht der Deutschen Physikalischen Gesellschaft konsequent gefördert werden. Über die Vorteile der technischen Lüftung informierte kürzlich auch ein Offener Brief, den die DPG veröffentlichte.

Anteil der Wärme-Erzeugung in Gebäuden völlig unterschätzt bei CO2-Einsparung für Klimaschutz – Mit einer Einführung von Jean Pütz

Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik

Im Zusammenhang mit der Verteufelung des Verbrennungsmotors wird der Energieverbrauch von Gebäuden,  der immerhin 50% der CO2-Erzeugung in Deutschland verursacht, vernachlässigt. Wärme wird in der Regel in Gasthermen, Ölheizungen und Fernheizungen direkt in den Gebäuden produziert. Viel intelligenter ist es, wenn in einem Kleinheizkraftwerk zusätzlich auch Elektrizität-Erzeugung erfolgt. Der in der Bevölkerung völlig unbekannte 2. Hauptsatz der Thermodynamik belegt, dass bei der Erzeugung von elektrischem Strom, wenn er nicht durch Fotovoltaik oder Windenergie gespeist wird, unweigerlich Wärmeverluste anfallen. Im Gegensatz zur direkten Verbrennung kann dabei diese Abwärme zu Heizzwecken verwendet werden, so dass eine enorme CO2-Einsparung erfolgt. Dafür benötigt man aber Verbrennungskraft-Maschinen, denn die mögliche Brennstoffzellen-Technik ist im Moment noch völlig unausgereift.

Offenbar ist diese Energie-Einsparung bei der Neufassung der Klimaschutzgesetze weitgehend vernachlässigt worden.

Nur ein persönliches Beispiel: In meinem kleinen Mietshaus arbeitet ein Kleinheizkraftwerk, welches bei Wärmebedarf gleichzeitig 5,5 Kilowatt Strom erzeugt, der seit fast 30 Jahren im Haus verwendet oder ins Netz eingespeist wird. Dadurch habe ich eine enorme Einsparung erreicht. Dazu muss ich sagen, dass das zu Anfang mit relativ geringen Subventionen gefördert wurde. Das soll jetzt gesetzmäßig wegfallen und dagegen, nur weil die Politiker dieses vergessen haben oder die physikalischen Hintergründe nicht verstehen bzw. aus ideologischen Gründen bewusst unterdrücken.

Lesen Sie dazu den Verbändeapell des Bundesverband Kraft-Wärme-Kupplung e. V., den ich 100 % unterstütze.

Jean Pütz

KWK-Anlagenbetreiber und die Wohnungs- und Immobilienwirtschaft eint das Interesse am Erhalt und der künftigen Einsetzbarkeit einer für die Wärmewende und damit den Klimaschutz relevanten Technologie. Diese ist durch die bestehenden Regelungen des BEHG infrage gestellt.

KWK-Anlagenbetreiber können ohne ein wirtschaftliches und konkurrenzfähiges “Produkt” am Wärmemarkt nicht bestehen. Für die Wohnungs- und Immobilienwirtschaft bzw. Mieter ist es inakzeptabel, für Wärme aus KWK-Anlagen eine höhere BEHG-Belastung zahlen zu müssen als im Vergleich zu einer ungekoppelten Erzeugung der Wärme.

In dem Appell wird eine schlanke Lösung vorgeschlagen, die zusammen mit einer noch in Beratung befindlichen Umsetzungsverordnung zum BEHG noch dieses Jahr umgesetzt werden kann, bevor die Heizkostenabrechnungen beginnen.

Der B.KWK hat den Verbändeapell mit der Bitte um Unterstützung des Vorschlags zusätzlich an die Mitglieder im Ausschuss Wirtschaft und Energie des Bundestags gerichtet.

Hier geht’s zum Bericht:     CO2-Bepreisung

CO2: Wertstoff im Kreislauf – Aus CO2 wird Methan

Allgemein, Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik

(pte) – Forscher der King Abdullah University of Science and Technoloy (KAUST)  können (CO2) in Methan, also synthetisches Erdgas, umwandeln. Dazu setzen sie wie üblich Wasserstoff ein, den ein mit Solarstrom versorgter Elektrolyseur produziert. Clou des Verfahrens ist ein Katalysator, dessen Wirkung durch das Licht der Sonne verstärkt wird. Er besteht aus nanometerfeinen Partikeln aus Nickel, die sich auf einer Unterlage aus Bariumtitanat befinden.

Hoher Wirkungsgrad
Das neue Verfahren absorbiert die Energie von Licht. Elektronen werden dadurch in einen hochenergetischen Zustand versetzt. Diese auch als „heiße Elektronen“ bekannten Teilchen regen die Verschmelzung von Wasserstoff und CO2 an. Es entsteht Methan, das bei der Verbrennung nur so viel Klimagas freisetzt, wie bei seiner Herstellung der Umgebungsluft entnommen wurde.

Die heißen Elektronen werden von allen Wellenlängen erzeugt, nicht nur von ultraviolettem Licht, wie es bei bisherigen Katalysatoren üblich ist. Das ist ein großer Vorteil, denn die Sonnenstrahlen bestehen lediglich zu vier bis fünf Prozent aus ultraviolettem Licht. Anders ausgedrückt, ist der Wirkungsgrad erheblich höher als bei bisher genutzten Reaktionen. Wie hoch er genau ist, verraten die Forscher nicht.

Umweltverträglicher Weg
„Wir sind der festen Überzeugung, dass unsere Strategie in Kombination ein nachhaltiger Weg sein könnte, um dieses schädliche Treibhausgas in wertvollen Kraftstoff umzuwandeln“, sagt Postdoc Diego Mateo. Außer als Treibstoff für Erdgasfahrzeuge ließe sich das Methan in Erdgasnetze einspeisen, was so zum Puffer für Solarenergie wird.

Die Forscher versuchen mit ihrer Technik nun weitere Produkte zu erstellen. „Wir wollen auch andere wertvolle Chemikalien wie Methanol herstellen“, sagt KAUST-Forschungsleiter Jorge Gascon. Methanol kann in speziellen Automotoren oder als Benzinzusatz genutzt werden. Um die Gewinnung von CO2 aus der Luft müssen sich die Forscher nicht kümmern. Dafür gibt es bereits etablierte Techniken, die ihren Energiebedarf mit Solarstrom decken. Anlagen des Schweizer Unternehmens Climeworks, das aus der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich hervorgegangen ist, werden bereits serienmäßig hergestellt.

Mit Wärmekraft-Maschinen enorme Energie sparen – Stadt Lemgo und ihr fortschrittliches Konzept

Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik
(BKWK) – Was ist eigentlich iKWK? Hinter diesen vier Buchstaben verbirgt sich ein innovatives Kraft Wärme Kopplungssystem, in das die Stadtwerke Lemgo in diesem Jahr rund 11 Mio. Euro investieren.
Damit installieren sie eine Kombination von innovativen, klimaschonenden Erzeugungsanlagen, die intelligent aufeinander abgestimmt sind: Am Bruchweg ziehen zwei neue, hocheffiziente Blockheizkraftwerke (BHKW) ein, die vor allem im Winter Strom und Fernwärme erzeugen. Im Sommer übernehmen eine Solarthermieanlage und eine Flusswasserwärmepumpe die Wärmeproduktion aus Erneuerbaren Energien!
Und mit dem weiteren Ausbau des Fernwärmenetzes für über 2 Mio. Euro soll diese klimaschonend erzeugte Wärme möglichst viele Lemgoer Haushalte erreichen.
„Das geförderte iKWK Projekt verlangt, dass ein Drittel der in diesen Anlagen produzierten Energie erneuerbar erzeugt werden muss“, erklärt Stadtwerke Geschäftsführer Arnd Oberscheven. „Diese Aufgabe übernehmen die Solarthermieanlage und die Großwärmepumpe. 6.000 MWh/a erneuerbare Wärme können beide Anlagen jährlich erzeugen, dadurch sparen wir 1.500 t CO2 pro Jahr ein.“ Die Wärmepumpe,
die neben dem Blockheizkraftwerk des EauLe an der Regenstorstraße installiert wird, nutzt in den Monaten März bis November das Wasser der Bega als Wärmequelle für die Fernwärmeproduktion. Die Solarthermieanlage funktioniert mit reiner Sonnenkraft. Und die neuen BHKW werden im Vergleich zur alten Gasturbine, die sie ersetzen die ohnehin schon geringen CO2 Emissionen bei ihrer Strom und Fernwärmeproduktion halbieren. 2022 sollen alle neuen, klimaschonenden Erzeugungsanlagen gemeinsam in Betrieb gehen.
„Rund 54 % unserer Investitionssumme von mehr als 20 Mio. Euro werden also in diese neuen Erzeugungsanlagen fließen und damit in den Klimaschutz“, so Arnd Oberscheven. „Hinzu kommen noch weitere 2 Mio. Euro, die wir in den Ausbau und die Verdichtung unseres Fernwärmenetzes investieren. In diesen Bereich fließt also ebenfalls eine Rekordsumme, damit unsere immer ökologischer produzierte Fernwärme möglichst flächendeckend zur Verfügung steht. Denn nur, wenn viele Haushalte und
Unternehmen unsere Wärme nutzen, kann sie noch wirksamer zur Erreichung der Lemgoer Klimaziele beitragen.“
Darüber hinaus halten die Stadtwerke mit Investitionen von mehr als 5 Mio. Euro in diesem Jahr auch die weiteren Verso rgungsnetze optimal instand ca. 2,3 Mio. Euro davon fließen in das Stromnetz, ca. 1 Mio. Euro ins Gasnetz und ca. 1,8 Mio. Euro ins Wassernetz. So erhöhen die Stadtwerke auch in diesen bedeutenden Sparten die Versorgungssicherheit.
„Einen Gewinn werde n wir durch die hohen Investitionen in das iKWK System und unsere Netze 2021 voraussichtlich nicht erzielen“, so Arnd Oberscheven. „Doch es ist gut und richtig, als starkes, kommunales Unternehmen auch in diesen Zeiten zu investieren, um den Klimaschutz zu forcieren und die Versorgung der Bürger*innen rundum zu sichern. Das alles leisten wir mit einem engagierten Team, das sich über sichere Arbeitsplätze freuen kann und neuen Auszubildenden, denen wir berufliche Perspektiven für die
Zukunft bieten. Auf uns und unsere Klimaschutz Ideen ist in Lemgo und darüber hinaus jederzeit Verlass.
“
Und wie wichtig der Beitrag der heimischen Stadtwerke zum Klimaschutz ist, das bekräftigt auch Bürgermeister Markus Baier: „Die innovativen Projekte, die unsere Stadtwerke immer wieder auflegen, sind vorbildliche Modellprojekte für ganz Deutschland. In Kombination mit unserem jahrzehntelangen Klimaschutz Engagement haben wir hier in Lemgo schon weit mehr für den Klimaschutz erreicht als unsere
Klimaschutzkonzepte vorgeben. So fallen in Lemgo pro Bürger*in nicht fast 10 Tonnen CO2 an wie im Bundesdurchschnitt, sondern nur knapp 7 Tonnen CO2. Diesen Weg gehen wir weiter, damit Lemgo beim Klimaschutz stets an der Spitze steht.“

Perowskit-Solarzellen werden langlebiger

Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik

(pte) – Forscher am Zentrum für integrierte Nanotechnologien des Los Alamos National Laboratory (LANL) und der National Taiwan University (NTU) entwickeln derzeit ein einstufiges Verfahren, um Solarzellen auf Basis von Kristallen mit Perowskit-Struktur langlebiger zu machen. Die Experten wollen ein Substrat mit einer hauchdünnen Perowskit-Haut beschichten.

Reines Eintauchen genügt
Das Team um Wanyi Nie vom LANL hat das Perowskit-Ausgangsmaterial in einer Chemikalie namens Sulfolan aufgelöst. Dieses Lösungsmittel besteht aus Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Schwefelatomen. Darin tauchten sie das Substrat ein. Als sie es wieder herausgezogen und getrocknet hatten, stellten sie fest, dass es mit einer perfekten, dünnen Perowskit-Schicht überzogen war.

Zunächst haben die Wissenschaftler das Verfahren an Proben getestet, die 16 und 37 Quadratzentimeter groß, für den technischen Gebrauch allerdings zu klein waren. Doch Nie ist überzeugt, dass das Verfahren auch für großflächige Solarzellen einsetzbar ist. Die daraus hergestellten Zellen erreichten einen Wirkungsgrad von 17,6 und 16 Prozent. Das sind ordentliche Werte, die noch an Bedeutung gewinnen, wenn die so hergestellten Solarzellen über lange Zeit funktionsfähig bleiben, also nicht degenerieren.

90 Sekunden für Beschichtung
„Unsere Arbeit ebnet den Weg zur kostengünstigen Produktion von Solarzellen im kommerziellen Maßstab“, glaubt Nie. Anhand der relativ kleinen Module aus der Laborfertigung konnte sein Team mithilfe von künstlicher Alterung zeigen, dass die Lebensdauer tatsächlich deutlich größer ist als bei vergleichbaren Zellen. „Das ist ein neuer Syntheseweg, der die große Familie der Perowskite bereichert“, ergänzt NTU-Professor Leeyih Wang, der das taiwanesische Team koordiniert.

Bei gängigen Abscheideverfahren für Perowskit-Kristalle verbleibt den Herstellern nur ein extrem enges Zeitfenster. Innerhalb von Sekunden muss der Film aufgebracht werden, damit er gleichmäßig ist, was die Lebensdauer verlängert. Das geht bisher meist schief, vor allem, wenn es in industriellem Maßstab versucht wird. Die Sulfolan-Methode verlängert das Zeitfenster auf komfortable 90 Sekunden, was auch für die Massenproduktion reicht.

Hilfeschrei eines ehrenwerten Professors der Physik: Mit der Grünen-Ideologie scheitert die Energie-Wende

Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik

Mit Professor Dr. Sigismund Kobe kommuniziere ich seit einigen Jahren. Er ist ein Gegner der ‚Grünen‘, genauso wie ich, aber er hält die dahinter stehende Ideologie für unsere Zukunft für außerordentlich gefährlich.
Wunschdenken muss endlich realistischen Maßnahmen weichen. Er fordert Technologie-Freiheit, keine grün-ideologischen Verbote und warnt vor den schrecklichen Folgen des derzeitigen Populismus für unsere Wirtschaft.

Lesen Sie dazu seinen persönliche Brief an mich und im Anschluss meine resignierende Entgegnung:

Ihr Jean Pütz

Lieber Jean,
Dein Beitrag hat mich nachdenklich gemacht.

Wenn sich herausstellt, dass die Emission von CO2 und anderen THG durch menschliches Tun eine Gefahr darstellt, müssen wir etwas tun.
Aber keinen Aktionismus, der ja nur vortäuscht, man würde etwas tun.

Das Programm der GRÜNEN scheint mir im Wesentlichen aus Aktionismus zu bestehen. Die Öffentlichkeit wird getäuscht und die Schwarmintelligenz kann nicht zur Wirkung kommen, weil z.B. der zweite Hauptsatz einfach ausgeblendet wird.

Eine Schwarmintelligenz ohne Naturgesetze kann nicht funktionieren.

Also brauchen wir realistischen Klimaschutz.

Wenn die Probleme immer dringlicher werden, müssen alle Tabus fallen und völlige Technologieoffenheit muss zur höchsten Priorität gelangen.

Nun zu den Erneuerbaren als scheinbares Allheilmittel. Es scheint, das Fell des Bären wird schon verteilt, bevor er überhaupt erlegt ist. Alles soll mit Grünem Strom aus Wind und Sonne gehen:

Elektromobilität
Wasserstoff
Wärmepumpen
Stahlindustrie
Fliegen mit grünem Kerosin
….

Dem steht entgegen:

1) Die Energiedichte z.B. von Windenergie ist so gering, dass wir in Deutschland niemals die geforderten Mengen bereitstellen können.

2) Über Importe kann man spekulieren, aber die Erzeugerländer haben das gleiche Problem, das Problem ist also bloß nach außen verschoben

3) Der Anteil von EE am Strommix kann man nicht über 50 Prozent steigern, es sei denn man hat Speicher. Wir sind aber schon nahe bei 50 % (jahreskumuliert). Also ist auch hier „Ende Gelände“. Die Sättigung ist erreicht.

4) Es gibt keine Speicher, auch nicht in überschaubarer Zukunft. Die Kavernen zur Speicherung von H2 sind da, aber es ist nichts drin.

Es gibt m.E. keine wissenschaftlich validierte Studien oder Veröffentlichungen, die eine Vollversorgung mit Grünem Strom nachweisen. Szenarien gibt es genug, diese sind aber nicht relevant und benutzen Voraussetzungen, die nicht realisiert werden können.

Strom aus Wind und Sonne können Beiträge liefern, ich benutze den Begriff „Beiwerk“. Aus physikalischen Gründen können sie aber nie die Vollversorgung von Energie für alle Sektoren Strom, Verkehr und Wärme (mit der höchstem energetischen Anteil) garantieren.
Wenn aber die Erneuerbaren eine Sackgasse sind, bricht das ganze System zusammen, das auf ihnen beruht, von der Elektromobilität bis zum Fliegen mit grünem Kerosin.

Wann bekommt endlich die Vernunft wieder eine Chance.

Herzliche Grüße

Dein   Sigismund

Lieber Sigismund,

Du sprichst mir aus dem Herzen. Seit Jahren predige ich genau das, was Du hier als Wissenschaftler erklärst. Die vielen Subventionen, die in diesen Bereich geflossen sind, haben auch die Wissenschaft und Technik so korrumpiert, dass selbst das Fraunhofer-Institut für Energiesysteme in Kassel letztlich in einem Interview in der Sendung ‚Quarks‘ bescheinigte, dass die regenerative Energie-Versorgung unseres Stromnetzte möglich sei. Auf meinen erbosten Anruf hin erzählte man mir, dass man auf den Hochspannungsverbund in Europa setze. Wenn z. B. in der Nacht in Moldavien die Sonne aufgeht und einen halben Tag später in Portugal untergeht, wäre allein schon deswegen ein Ausgleich möglich. Die glauben das sogar, natürlich hochgesponsert mit Milliarden durch den grünen Mainstream der Machthabenden. Als Elektroingenieur, der schon einmal Netze berechnet hat, kann ich da nur sagen, das sind Zauberer, die das Kaninchen aus dem Hut ziehen und sich für die Nebenwirkungen und Risiken nicht zuständig erklären.

Ich selbst bin dran, mich elektrisch autonom wenigstens für zweistündigen Stromausfall zu wappnen. Jetzt, wenn sämtliche Kernkraftkerne wider jegliche Vernunft stillgelegt sind, steht dieser Gau in den nächsten Jahren bevor. Aber dann sind die Politiker, die das entschieden haben, nicht mehr im Dienst oder finden einen Sündenbock mit Namen Corona.

Ich bin entmutigt, grüner Populismus beherrscht unsere Szene und selbst alle Vernunftmaßnahmen sind für die Katz. Denk ich an Deutschland in der Nacht, so werd‘ ich um den Schlaf gebracht.

Herzliche Grüße

Jean

Kfz-Branche: Abschied von den Wasserstoff-Träumen ?!

Physik, Chemie, Technik

(Business Insider) – Wasserstoff gilt schon seit den Sechzigerjahren als einer der vielversprechendsten Kandidaten für den Ersatz von Benzin und Diesel. Auch Mercedes, BMW, Audi und VW experimentieren seit Jahrzehnten mit dem Treibstoff und der Brennstoffzellentechnologie. Bisher haben die deutschen Hersteller jedoch nur Kleinserienmodelle mit Wasserstoffantrieb gebaut, wie den Mercedes GLC F-Cell oder BMW 7er Hydrogen 7. Nichts für die breite Masse.

Japan und Südkorea treiben die Technologie voran
Die Konkurrenz aus Japan und Südkorea ist deutlich konsequenter. Toyota brachte mit dem Mirai 2014 das erste in größeren Stückzahlen gefertigte Brennstoffzellen-Auto der Welt auf den Markt, das mittlerweile in der zweiten Generation vom Band läuft. Hyundai zog 2018 mit dem Wasserstoff-SUV Nexo nach. Aufgrund der exotischen Technik sind beide Modelle vergleichsweise teuer und daher keine Verkaufsschlager.

Die derzeit schlecht ausgebaute Infrastruktur tut ihr Übriges. Von dem mindestens 79.000 Euro teuren, dafür aber vergleichsweise gut ausgestatteten Südkoreaner Nexo wurden 2019 lediglich knapp 4.500 Stück gebaut. Trotzdem treiben die beiden Konzerne die Entwicklung auf diesem Gebiet mit voller Kraft voran, was auch an dem starken politischen Willen in den beiden asiatischen Ländern liegt.

VW setzt auf batteriebetriebene  Elektroautos
Wie die „Financial Times“ berichtet, haben die meisten europäischen Autokonzerne ihre Wasserstoff-Pläne mittlerweile weitestgehend begraben. Stattdessen möchten sie sich im PKW-Bereich konsequent auf batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge konzentrieren. Herbert Diess, der Vorstandsvorsitzende des VW-Konzerns, hält die Idee eines großen Marktes für Brennstoffzellen-Autos für zu optimistisch. „Sie werden keinen breiten Einsatz von Wasserstoff in Autos sehen. Nicht einmal in 10 Jahren, weil die Physik dahinter einfach so unvernünftig ist,“ sagte Diess der „Financial Times.“

Zumindest bei seiner Kernmarke baut die Zukunftsstrategie des VW-Konzerns komplett auf BEVs (Battery Electric Vehicles). Die Premium-Tochter Audi hat mit der Studie H-Tron bereits vor fast fünf Jahren einen ersten Ausblick auf ein potenzielles Brennstoffzellen-SUV gegeben. Angesicht der aktuellen Zweifel des Konzernchefs und der konsequenten Elektro-Strategie des weltweit größten Autokonzerns ist es jedoch fraglich, ob Audi jemals ein Volumenmodell mit Wasserstoffantrieb auf den Markt bringen wird.

Diess hält von der Technologie wenig
Diess hat in seiner Zeit als BMW-Ingenieur selbst an Fahrzeugkonzepten mit Wasserstoffantrieb gearbeitet, zweifelt aber im Gegensatz zu den meisten Konkurrenten selbst im LKW-Bereich die Sinnhaftigkeit des Antriebskonzepts an. Die VW-Töchter MAN und Scania arbeiten zwar für die Langstrecke weiterhin an Wasserstoff-Trucks, aber auch bei ihnen liegt der Fokus klar auf E-Fahrzeugen, die ihren Strom aus großen Batterien beziehen und mit einer Füllung zwischen 200 und 300 Kilometern schaffen sollen. Zu dem Thema sagte Diess der Financial Times: „Bei LKWs geht es vor allem um die Kosteneffizienz. Und Wasserstoff ist so teuer, dass sich die Kosten pro Kilometer im Vergleich zum einem batterieelektrischen LKW verdreifachen würden.“

Der aus der Fusion von der Groupe PSA (Peugeot, Citroën, Opel und DS) und Fiat-Chrysler hervorgegangene Konkurrent Stellantis ist im Transportbereich etwas optimistischer. Der Konzern möchte in den kommenden Jahren kleine Wasserstoff-Transporter auf die Straße bringen. Im Automobilbereich sieht er aber auch kein großes Potenzial. „Der Großteil der Leute, die auf das Wasserstoffauto drängten, haben jetzt einen Rückstand bei den E-Autos“, sagte der Vorstandsvorsitzende Carlos Tavares der Financial Times.

Renault plant Wasserstoff-Transporter
Auch Renault sieht den idealen Einsatzzweck für den Wasserstoffantrieb im Güterverkehr. Philippe Prevel ist bei dem französischen Traditionskonzern für alternative Treibstoffe verantwortlich. Seiner Meinung nach macht der Antrieb vor allem bei Fahrzeugen Sinn, die einen zentralen Dreh- und Angelpunkt haben, an den sie nach dem Schichtende zurückkehren, wie Busse, Taxis oder Lieferwagen. Letztere haben die Franzosen mit dem Kangoo und Master Z.E. Hydrogen bereits im Angebot. Allerdings fiel der Anteil der Wasserstoff-Varianten an den Gesamtverkäufen bisher äußerst gering aus.

Auf lange Sicht strebt Prevel in Segment der H2-Transporter einen Marktanteil von 30 Prozent an. Derzeit sei aber noch nicht absehbar, wie viel Wachstumspotenzial in dem bisher kaum existenten Markt wirklich steckt. Noch für dieses Jahr, plant Renault zwei neue Wasserstoff-Lieferwagen, die aus einer Kooperation mit dem amerikanischen Brennstoffzellen-Spezialisten Plug Power stammen. Zudem ist der Franzose davon überzeugt, dass die mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle vor allem auf Strecken über 300 Kilometer eine Rolle spielen wird. Rein elektrisch angetriebene LKW bräuchten für solche Distanzen schwere und platzraubende Batterien. Im PKW-Bereich setzt Renault bis 2030, wie der Großteil seiner europäischen Konkurrenten, vor allem auf BEVs und Hybridantriebe.

Mercedes und BMW halten sich zurück
Mercedes hatte jahrelang ambitionierte Wasserstoff-Pläne. Doch auch die Stuttgarter konzentrieren sich mittlerweile in erster Linie auf die Entwicklung batterieelektrischer Autos und den Ausbau ihrer EQ-Modellfamilie. Nachdem die Marke mit dem Stern seit den Neunzigern Brennstoffzellen-Versionen der A- und B-Klasse produzierte, wurde Ende 2018 der Mercedes GLC F-Cell eingeführt. Das Wasserstoff-SUV wurde nur im Leasing angeboten und bereits im April 2020 nach rund 3.000 Exemplaren eingestellt. Die Schwaben haben ihr Wasserstoff-Programm aber nicht komplett aufgegeben. Im LKW-Bereich haben sie kürzlich eine Kooperation mit Volvo geschlossen.

Beim Erzrivalen aus München sieht es ähnlich aus. BMW plant für 2022 eine lokal emissionsfreie Version des X5, die sich einen Großteil der Technik mit Toyotas Technologieträger Mirai teilen wird. Doch auch bei dem Brennstoffzellen-X5 rechnet der Hersteller nur mit niedrigen Stückzahlen. Passend zum Zeitgeist liegt auch bei den Bayern das Hauptaugenmerk auf der Entwicklung ihrer batteriebetriebenen Modelle, wie beispielsweise dem i4 oder dem iX.

Wenig Tankstellen und hohe Preise
Die Gründe für die Skepsis der Autokonzerne sind vielseitig. Allen voran werden viele Kunden derzeit von der international dürftigen Infrastruktur abgeschreckt. Trotz staatlicher Förderungen seit 2007 gibt es laut dem Anbieter H2.LIVE hierzulande derzeit nur 91 Tankstellen, während sich rund fünf Stück in der finalen Bauphase befinden. Zum Vergleich: Benzin konnte im vergangenen Jahr an insgesamt 14.400 Orten gezapft werden.

In anderen Ländern sieht es nicht besser aus. Im Gegenteil: Deutschland führt die europäische Rangliste mit einem großen Vorsprung an. Insgesamt sind es in ganz Europa nur 180 Stück. Kein Wunder, denn der Bau einer neuen H2-Tankstelle schlägt mit rund einer Million Euro zu Buche. Dazu kommt, dass Wasserstoff für Autos aufgrund der geringen Nachfrage nur in kleinen Mengen produziert wird, der Treibstoff ist deshalb vergleichsweise teuer. Ein Kilo kostet derzeit üppige 9,50 Euro. Der Hyundai Nexo kommt damit beispielsweise etwas weiter als 100 Kilometer.

Aufwendigere Technik als beim BEV
Zudem sind die Wasserstoffmodelle in der Anschaffung deutlich teurer als vergleichbare Benziner oder E-Autos. Während letztere zwar über eine üppig dimensionierte und kostenintensive Lithium-Ionen-Batterie verfügen, sind sie technisch deutlich einfacher aufgebaut. Bei Wasserstoffautos kommen zu den dickwandigen Hochdrucktanks die Brennstoffzelle, in der H2 mit Sauerstoff reagiert. Neben Wasser und Wärme, wird dabei natürlich auch der für den Antrieb benötigte Strom erzeugt. Letzterer wird anschließend von einem Aufwärtswandler verstärkt und erst dann an die E-Motoren abgegeben. Dazu kommt noch eine zusätzliche Puffer-Batterie.

All diese Komponenten führen derzeit noch zu hohen Produktions- und Entwicklungskosten. Um diese deutlich senken zu können, müssten die Autohersteller jährlich hunderttausende Brennstoffzellen-Fahrzeuge verkaufen. Angesichts der aktuellen Verkaufszahlen ist das ein utopisches Ziel. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist mit rund 65 Prozent zwar doppelt so hoch wie bei einem Verbrennungsmotor. Wenn man jedoch die Produktion, den Transport und die Umwandlung des Wasserstoffs in Strom komplett durchrechnet, landet man bei einem Wirkungsgrad von 29 bis 32 Prozent. Batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge sind derzeit effizienter als Wasserstoffautos.

Maximilian Fichtner, Professor der Festkörperchemie an der Universität Ulm, äußerte im Gespräch mit der „Wirtschaftswoche“ schon im November 2019 Bedenken. Der Gesamtverkehr hatte hierzulande damals einen jährlichen Energiebedarf von rund 770 Terawattstunden, sagte Fichtner. Wenn man alle Fahrzeuge mit einem Wasserstoffantrieb ausrüsten würde, dürfte der Bedarf auf über 1000 Einheiten ansteigen. Die Umstellung auf einen reinen Elektroantrieb könnte ihn dagegen sogar auf rund 200 Terawattstunden reduzieren.

Grüner Wasserstoff ist Zukunftsmusik
Als Abgas fällt bei Brennstoffzellenautos tatsächlich nur unschädlicher Wasserdampf an. Die Produktion von H2 ist aber in den meisten Fällen noch alles andere als klimaneutral. Die Herstellung von grünen Wasserstoff ist zwar in der Theorie bereits möglich. Hierbei wird die Elektrolyse von Wasser ausschließlich mit Strom durchgeführt, der komplett aus erneuerbaren und klimaneutralen Energien stammt. Diese Methode ist derzeit jedoch noch sehr kostenintensiv und wird deshalb nur im kleinen Maßstab eingesetzt. Der große Durchbruch wird hier zwar schon seit langem prophezeit, bisher ist er jedoch noch nicht eingetroffen.

Die Norm ist heute dagegen der graue Wasserstoff. Bei ihm stammt die Energie großteils aus fossilen Brennstoffen. Meist wird Erdgas unter hohen Temperaturen in Wasserstoff und C02 umgewandelt. Letzteres wird in die Umgebungsluft abgegeben und verstärkt so den Treibhauseffekt. Eine Zwischenstufe stellt der blaue Wasserstoff dar. Hier wird die Produktion auf die gleiche Weise durchgeführt, die Treibhausgase jedoch abgefangen und anschließend gespeichert. Doch auch bei dieser Vorgehensweise gibt es Nachholbedarf. Trotzdem sollte man den Wasserstoff nicht vorschnell abschreiben. Auf lange Sicht dürfte er bei der Energiewende nämlich eine entscheidende Rolle spielen. Wenn auch zum jetzigen Stand eher im Nutzfahrzeugbereich, sowie in der Produktion von Stahl und Zement.

Nachhaltige Stromerzeugung mit niedrigen Temperaturen

Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik

Eine lobenswerte Initiative, aber der Beitrag zur Gesamt-Stromerzeugung in Deutschland ist nur minimal wegen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Der Temperatur-Unterschied ist nur gering. Wenn durch intensive Forschung selbst um 20% erhöht werden kann, dann bedeutet das selbst bei einem Wirkungsrad von 15% nur 3% mehr.

Ich hoffe, dass bei der Förderung dieser Forschung diese Gesetzmäßigkeit mit einbezogen wurde

Jean Pütz

(KIT) – Niedertemperaturwärme, wie sie als Abwärme in der Industrie oder in Geothermiekraftwerken entsteht, bietet große Potenziale für eine nachhaltige und bedarfsgerechte Stromversorgung. Mit dem Kraftwerkstechnikum MoNiKa (steht für: Modularer Niedrigtemperaturkreislauf Karlsruhe) ist am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine europaweit einzigartige Forschungsinfrastruktur in Betrieb gegangen. Ziel ist es, die Umwandlung überschüssiger Wärme in Strom im Organic-Rankine-Cycle (ORC) effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten.

Mit Blick auf eine möglichst CO2-arme und energieeffiziente Stromerzeugung hat Niedertemperaturwärme in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. „Statt Wärme, die ohnehin als Überschuss vorhanden ist, in die Umgebung abzuführen, ist es sinnvoller, sie weiter zu nutzen und damit Strom zu produzieren“, erklärt Dr. Dietmar Kuhn, Leiter der Arbeitsgruppe Energie- und Verfahrenstechnik am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des KIT. Um Wärme von unter 200 Grad Celsius für die Versorgung von Privathaushalten zu verstromen, kommen sogenannte ORC-Anlagen zum Einsatz. Sie basieren auf dem Organic-Rankine-Cycle – einem Verfahren, das nach dem britischen Begründer der Thermodynamik, William John Macquorn Rankine, benannt und vor allem aus Geothermiekraftwerken bekannt ist.

Hierbei handelt es sich um einen Flüssig-Dampf-Kreislauf, bei dem ein Fluid im Kreis gepumpt und unter Druckerhöhung aufgeheizt wird, bis es verdampft. Der heiße Dampf wird über eine Turbine geführt, die ihm den Druck und die Temperatur wieder entzieht und ihn in Bewegungsenergie und Strom verwandelt. Da der Siedepunkt von Wasser unter Druck bei einigen hundert Grad liegt und damit deutlich höher als das, was eine Niedertemperaturquelle wie Erdwärme zur Verfügung stellen kann, kommen, anders als zum Beispiel in einem Kohlekraftwerk, beim ORC-Verfahren andere Fluide als Arbeitsmedien zum Einsatz. Im Technikum MoNiKa arbeiten die Expertinnen und Experten mit Propan, das bei hoher Leistungsfähigkeit einen sehr niedrigen GWP-Faktor aufweist, der das Treibhauspotenzial angibt (GWP steht für Global Warming Potential).

Strategien für die Effizienzsteigerung von ORC-Anlagen
Bislang liegt der Wirkungsgrad, das heißt die Stromausbeute aus Wärmeüberschüssen, bei ORC-Anlagen bei nur 10 bis 15 Prozent. Zentrales Ziel der Karlsruher Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen ist es deswegen, neue Strategien für die Effizienzsteigerung von ORC-Anlagen zu entwickeln und deren CO2-Fußabdruck zu senken. „MoNiKa bietet eine Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur, die auf dem neuesten Stand der Technik und einzigartig in Europa ist“, betont Kuhn. So wird im Technikum der Dampfkreislauf anders als in den meisten ORC-Kraftwerken überkritisch betrieben. Das heißt: Mit Blick auf Temperatur, Druck und Dichte wird der sogenannte „kritische Punkt“ überschritten, an dem ein Gas flüssig wird und umgekehrt, und die Phasenübergänge werden fließend. „Damit können wir die Stromausbeute um zwanzig bis dreißig Prozent erhöhen“, sagt Kuhn.

Das modular aufgebaute Technikum verfügt über eine Heizanlage, welche die Niedertemperaturwärmequelle simuliert. Eine umfangreiche Sensorik für die Messung von Temperaturen, Drücken und Durchflüssen ermöglicht es, Daten aus dem laufenden Betrieb mit Modellrechnungen zu vergleichen und so die Prognosequalität zu erhöhen. Auf dieser Basis wollen die Forschenden zentrale Komponenten wie den Wärmetauscher oder den innovativen Hybrid-Kondensator analysieren und so optimieren, dass sie energieeffizienter und umweltschonender arbeiten. Ziel ist unter anderem auch, Leckagen im Arbeitskreis zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.

Technikum für anwendungsorientierte Forschung
MoNiKa erreicht eine thermische Leistung von einem Megawatt und damit eine Größenordnung, mit der die erzielten Forschungsergebnisse gut auf die Praxis übertragen und skaliert werden können. Das Technikum, an dem bereits erste Experimente laufen, soll vor allem für anwendungsorientierte Forschungsprojekte eingesetzt und langfristig an das Energy Lab 2.0 des KIT angebunden werden. Derzeit identifizieren Kuhn und sein Team gemeinsam mit interessierten Industriepartnern Forschungsthemen und -bedarfe. Das Großinvestitionsprojekt, in dessen Rahmen das Kraftwerkstechnikum am ITES aufgebaut wurde, lief von 2013 bis 2021 und wurde vom Bundesministerium für Bildung- und Forschung mit 4,4 Millionen Euro gefördert. (sur)