Chemie und erneuerbare Energien: Die Versorgungslücke

Chemie und erneuerbare Energien: Die Versorgungslücke

Der Verbrauch an fossilen Brennstoffen muss verringert werden, doch auf erneuerbare Energiequellen kann man sich nicht jederzeit verlassen. Chemiker entwickeln Brennstoffe und Batterien, die überschüssige Energie speichern und so die Schwankungen der Sonnen- und Windenergie ausgleichen. Für eine nationale Umsetzung ist es erforderlich, unterschiedliche Disziplinen zu vereinen und politische, soziale und ökonomische Barrieren zu überwinden.

Wasserstoff: Backup-Speicher für das Stromnetz?

Um von fossilen Brennstoffen unabhängig zu werden, müssen wir Energie effizienter nutzen. In Deutschland beispielsweise geht knapp ein Drittel der Energie bei der Umwandlung von einer Energieform in die andere verloren. Forschung, die die Effizienz dieser Prozesse steigert, hilft Kohlenstoffemissionen zu reduzieren.

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Elektroautos werden eines Tages in dicht bevölkerten Gebieten gang und gäbe sein. Die Lithiumionen-Batterien, die sie enthalten, speichern Energie, um bei Bedarf Schwankungen auszugleichen.


Darüber hinaus ist jedoch für eine effiziente und erschwingliche Energieerzeugung auch ein Wechsel zu erneuerbarem Strom notwendig. Wind- und Sonnenenergie stehen allerdings naturgemäß nicht kontinuierlich zur Verfügung, so dass diese Lücken derzeit mit Energie aus fossilen Brennstoffen gefüllt werden. Könnte der während der Spitzenzeiten generierte Strom gespeichert werden, würde die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien außerordentlich erhöht.


Brennstoffe und Batterien der nächsten Generation existieren zwar bereits, können aber noch nicht im industriellen Maßstab eingesetzt werden – eine interdisziplinäre Herausforderung für Chemiker, Materialwissenschaftler und Ingenieure im kommenden Jahrzehnt.

Ein Gas auf dem Vormarsch

Die Speicherung überschüssiger Energie in Brennstoffen der nächsten Generation verspricht dabei am meisten. In der Natur findet dieser Vorgang seit langem statt – Pflanzen und Tiere ‚ernten‘ das Sonnenlicht und verwandeln sich dann letztendlich in unsere fossilen Brennstoffe. Die in den heutigen Pflanzen gespeicherte Energie lässt sich als Biokraftstoffe nutzen. Deren Wirksamkeit bei der Verringerung der Treibhausgasemissionen ist jedoch begrenzt – die Umwandlung von Bodenflächen hin zum Anbau von Biokraftstoff-Pflanzen sowie die Erzeugung und der Transport dieser Biokraftstoffe sind Kohlenstoff-intensive Prozesse1.

Aber es gibt auch andere Möglichkeiten der Energiespeicherung. Bei der Spaltung der chemischen Bindungen zwischen den Atomen des Wasserstoffgases etwa werden große Energiemengen frei, was dieses Gas für die Energiespeicherung äußerst attraktiv macht2. Wasserstoff lässt sich sogar direkt durch Sonnenlicht erzeugen: Wissenschaftler entwickeln derzeit ‚künstliche Blätter’, in denen Photokatalysatoren die Sonnenenergie ernten und Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten3. Diese künstlichen Blätter befinden sich jedoch noch im Versuchsstadium und weisen nur einen geringen Gesamtwirkungsgrad auf; zudem benötigt man für ihre Herstellung exotische Materialien.

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Abbildung 1: So ermöglicht chemische Forschung den Übergang zu erneuerbaren Energien: Innovationen werden die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien erhöhen und die Stromverschwendung auf vielerlei Arten reduzieren (roter Text). Jedoch sind dabei verschiedene ökonomische und soziale Barrieren (blau) zu überwinden.

Anstelle dessen eignet sich Wasserstoff auch als Backup-Speicher für das Stromnetz. Mittels des überschüssigen Stroms aus erneuerbaren Energiequellen (Abb. 1) könnte Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden; die Energie würde dann im Wasserstoff gespeichert und durch Verbrennung freigesetzt werden. Eine Alternative wäre die Nutzung des Wasserstoffs zur Erzeugung von Strom in Brennstoffzellen, bei denen als Nebenprodukt sauberes Wasser entsteht.

Ein klarer Nachteil von Wasserstoffgas als Energiespeichermedium liegt in seiner hohen Flüchtigkeit – aufbereitet zu Ammoniak4, Methan oder Methanol wäre ein sicherer Transport allerdings möglich. Darüber hinaus sind die an der Aufspaltung von Wasser und der Kopplung von Sauerstoff und Wasserstoff beteiligten elektrokatalytischen Prozesse noch nicht stabil und effizient genug für eine praktische Anwendung, und die für die Elektroden erforderlichen Materialien sind unerschwinglich. Die heutigen Elektroden könnten aber durch kostengünstigere Alternativen ersetzt werden, etwa durch Nickel oder als Ergebnis bereits laufender Versuche mit Kobalt-Phosphat-Elektroden5.

Schließlich käme Kohlendioxid selbst als Rohmaterial für die Energiespeicherung in Frage, wodurch die Kohlenstoffmenge weiter sinken würde. Kohlendioxid ist ein sehr stabiles Molekül; das Auffangen, Reinigen und die Umwandlung in einen Brennstoff kostet sehr viel Energie. Anlagen zur Aufbereitung von Kohlendioxid ließen sich allerdings an Kraftwerke koppeln, in denen dieses Gas entsteht. Relativ leicht kann dann das Kohlendioxid zu Methan, Methanol, Dimethylether oder größeren Molekülen verarbeitet werden die in Verbrennungsmotoren rückstandslos verbrennen.

Leistungsfähigere Batterien

Batterien werden beim Wechsel zu nachhaltigen Energiesystemen ebenfalls eine wichtige Rolle spielen (Abb. 1); die Redox-Flow-Batterie, die Energie in einer elektrolytischen Flüssigkeit speichert, gilt hierbei als besonders vielversprechend. Da das Fluid eine geringe Energiedichte besitzt, muss es in entsprechend größeren Tanks gelagert werden, was die Nutzung dieser Batterien auf ortsgebundene Anwendungsbereiche beschränkt. Dennoch besitzen Redox-Flow-Batterien die für Batteriesysteme notwendige hohe Speicherkapazität und können sich rasch entladen6.

Eine wesentlich höhere Energiedichte besitzen Lithiumionen-Batterien; diese haben ihre Eignung für mobile Anwendungen wie Elektroautos bereits bewiesen. Deren Reichweite ist jedoch im Vergleich zu Fahrzeugen, die mit fossilen Brennsoffen betrieben werden, begrenzt, so dass hier eine erhebliche Leistungssteigerung notwendig ist. Metall-Luft-Batterien weisen sogar eine noch höhere Energiedichte auf als Lithiumionen-Batterien7. Sie nehmen Sauerstoff aus der Luft und oxidieren damit ein Metall: dabei entsteht elektrischer Strom. Bevor diese Batterien großflächig Anwendung finden, müssen Wissenschaftler einige Probleme meistern8, darunter der Ionentransport durch Membranen und Elektroden. Hierzu könnten vor allem modernere Analyseinstrumente, etwa Elektronenspektroskopie mit Synchrotronstrahlung9, Türen öffnen.

Die heutige Batterieforschung ist vor allem durch Fragmentierung gekennzeichnet: Einige Wissenschaftler erforschen Elektrolyte, andere Elektroden und wieder andere die sie trennenden Membranen. Um Fortschritte zu erzielen, müssen sich alle Experten zusammenschließen und einen ganzheitlichen Ansatz entwickeln, der Festkörper- und Elektrochemie verbindet.
Bis diese Lösungen zur Energiespeicherung kostengünstig und leistungsfähig genug sind, gilt es, überschüssige erneuerbare Energie einfach vor Ort zur Verfügung zu stellen, z.B. an Ladestationen für Elektroautos oder als Wärmequelle in Fernheizwerken. Ein Beitrag zur Kohlenstoffreduktion wäre gesichert, und der Ausbau teurer Infrastruktur, die ohnehin nur wenige Stunden im Jahr genutzt würde, bliebe so zum Teil erspart.

Jenseits der Wissenschaft

Unsere Energiesysteme nachhaltig zu gestalten ist mehr als nur eine technische Herausforderung. Die Debatte über erneuerbare Energien ist bislang oftmals von ideologischen Präferenzen für die eine oder andere Technologie geprägt, ohne dass auf deren weitreichende Auswirkungen geachtet wird. Große gesellschaftliche, politische und ökonomische Veränderungen sind nötig, um die Nutzung neuartiger Technologien zur Energieerzeugung und -speicherung voranzutreiben (Abb. 1). Nur wenn all diese Faktoren zusammenwirken, können wir den dringend notwendigen radikalen Wandel unserer Energiesysteme bewältigen.

Mit überschüssigem Strom lässt sich Wasserstoff erzeugen, der mit Hilfe eines Kupferkatalysators zu Methanol aufbereitet werden kann. Forscher am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft untersuchten diesen Katalysator mittels Spektroskopie, Diffraktionstechniken und Elektronenmikroskopie und zeigten, dass für die katalytische Aktivität hauptsächlich Oberflächendefekte verantwortlich sind (Behrens, M. et al. Science 336, 893–897; 2012). Ihr Ansatz ermöglicht die Verbesserung von Kupfer- und anderen Katalysatoren.

Bibliographie:

1 Smeets, EMW et al. Prog. Energy Combust. Sci. 33, 56–106 (2007).

2 Nath, K. & Das, D. J. Sci. Ind. Res. 66, 701–709 (2007).

3 Lubitz, W. et al. Energy Environ.  Sci. 1, 15–31 (2008).

4 Schlögl,  S. Angew.  Chem. Int. Ed. 42, 2004–2008 (2003).

5 Kanan, M. W. & Nocera, D. G. Science 321, 1072–1075 (2008).

6 de León,  C. P. et al. J. Power Sources 160, 716–732  (2006).

7 Bruce, P. G. et al. Nat. Mater. 11, 19–29 (2012).

8 Wontcheu, J. et al., J. Am.  Chem. Soc. 130, 288–299 (2008).

9 Schuster, D. et al., Chem. Mater. 26, 1040–1047 (2014).

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