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Herausforderungen der Windenergie

Viele Menschen glauben, daß es keinen Verbesserungsbedarf gibt, weil Windkraftanlagen seit Jahrzehnten funktionieren.  Die Windenergie hat das Potenzial, eine der weltweit kostengünstigen Energiequellen zu sein. In einem kürzlich im Fachmagazin Science erschienenen wissenschaftlichen Artikel wurde die Wissenschaft aufgefordert, sich drei großen Herausforderungen in den Naturwissenschaften zu widmen, um die Innovation der Windenergie voranzutreiben. Dabei wurden im Wesentlichen drei Richtungen identifiziert:

  1. Die bessere Ausnutzung von Windströmungen
  2. Struktur- und Systemdynamik von Windrädern
  3. Netzzuverlässigkeit der Windkraft

Um bei der besseren Ausnutzung von Windströmungen voranzukommen, müssen die Dynamik der Bewegung der Luftmasse und ihre Wechselwirkungen mit Land und Turbinen verstanden werden. Um mehr Energie zu gweinnen, haben Windenergieanlagen an Größe zugenommen. Wenn sich Windenergieanlagen mit anderen Windenergieanlagen größere Gebieten teilen, veraendert sich zuh zunehmend die dort vorherrschende Strömung. Unser Wissen über Windströmungen in komplexem Gelände und bei unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen ist sehr lückenhaft. Wir müssen diese Bedingungen genauer modellieren, damit der Betrieb großer Windkraftanlagen am produktivaer und günstigster wird.

Wenn die Höhe von Windkraftanlagen zunimmt, müssen wir die Dynamik des Windes in diesen Höhen und Maßstäben verstehen. Die Verwendung vereinfachter physikalischer Modelle und grundlegender Beobachtungstechnologien in der Vergangenheit ermöglichte die Installation von Windkraftanlagen und die Vorhersage der Leistung in einer Vielzahl von Geländetypen. Die Herausforderung besteht darin, diese unterschiedlichen Bedingungen so zu modellieren, daß Windkraftanlagen so optimiert werden, daß sie sowohl kostengünstig und steuerbar sind, als auch am richtigen Ort installiert werden.

Die Struktur- und Systemdynamik von Windrädern ist ebenfalls mangelhaft erforscht. Windkraftanlagen sind heute die größten flexiblen, rotierenden Maschinen der Welt. Die Schaufellängen überschreiten routinemäßig 80 Meter. Ihre Türme ragen weit über 100 Meter hinaus. Um dies zu verbildlchen, können drei Airbus A380 in den Bereich eines Windenergierotors passen.  Da diese Anlagen immer größer und schwerer werden und unter zunehmenden strukturellen Belastungen arbeiten, sind neue Materialien und Herstellungsprozesse erforderlich. Das rührt daher, daß die Skalierbarkeit, der Transport, die strukturelle Integrität und das Recycling der verwendeten Materialien an ihre Grenzen stoßen.

Darüber hinaus wirft das Wechselspiel zwischen Turbinen- und atmosphärischer Dynamik mehrere wichtige Forschungsfragen auf. Viele vereinfachte Annahmen, auf denen frühere Windenergieanlagen basieren, gelten nicht mehr. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, die Atmosphäre zu verstehen, sondern auch herauszufinden, welche Faktoren sowohl für die Effizienz der Stromerzeugung als auch für die strukturelle Sicherheit entscheidend sind.

Zudem ist unser heutiges Stromnetz nicht für den Betrieb großer zusätzlicher Windresourcen ausgelegt. In Zukunft muß es sich  daher grundlegend von dem heutigen unterscheiden. Es wird ein hoher Zuwachs an variabler Wind- und Sonnenkraft erwartet. Für die Aufrechterhaltung eines funktionierenden, effizienten und zuverlässigen Netzes müssen diese Stromerzeuger vorhersehbar und steuerbar sein. Außerdem müssen erneuerare Stromerzeuger in der Lage sein, nicht nur Strom, sondern auch stabilisierende Netzdienste bereitzustellen. Der Weg in die Zukunft erfordert eine integrierte Systemforschung an den Schnittstellen von Atmosphärenphysik, Windturbinendynamik, Anlagensteuerung und Netzbetrieb. Dazu gehören auch neue Energiespeicherlösungen wie Power-to-Gas.

Windenergieanlagen und deren Stromspeicher können wichtige Netzdienste wie Frequenzsteuerung, Rampensteuerung und Spannungsregelung bereitstellen. Innovative Steuerungen könnten die Eigenschaften von Windenergieanlagen nutzen, um die Energieerzeugung der Anlage zu optimieren und gleichzeitig diese wesentlichen Dienstleistungen bereitzustellen. Beispielsweise können modern Datanverarbeitungstechnologien großen Datenmengen für Sensoren liefern, die dann auf die gesamte Anlage angwendet werden. Daurch kan die Energieerfassung verbessert werden, was widerum die Betriebskosten deutlich senken kann. Der Weg zur Verwirklichung dieser Zukunft erfordert umfangreiche Forschungen an den Schnittstellen von atmosphärischer Strömungsmodellierung, individueller Turbinendynamik und Windkraftanlagensteuerung mit dem Betrieb größerer elektrischer Systeme.

Fortschritte in den Naturwissenschaften sind unerläßlich, um Innovationen voranzutreiben, Kosten zu senken und eine reibungslose Integration in das Stromnetz zu erreichen. Zusätzlich müssen auch Umweltfaktoren beim Ausbau der Windenergie berücksichtigt werden. Um erfolgreich zu sein, muß der Ausbau der Windenergienutzung verantwortungsbewußt erfolgen, um die Zerstörung der Landschaft so gering wie möglich halten. Investitionen in Wissenschaft und interdisziplinäre Forschung in diesen Bereichen werden mit Sicherheit helfen, akzeptablen Lösungen für alle Beteiligten zu finden.

Zu solchen Projekten gehören Untersuchungen, die die Auswirkungen des Windes auf wild lebende Tiere charakterisieren und verstehen. Auch wissenschaftliche Forschung, die Innovationen und die Entwicklung kostengünstiger Technologien ermöglicht, um die Auswirkungen von Wildtieren auf Windkraftanlagen an Land und vor der Küste wird derzeit intensiv betrieben.  Dazu muß verstanden werden, wie Windenergie so platziert werden kann, daß die lokalen Auswirkungen minimiert werden und gleichzeitig ein wirtschaftlicher Nutzen für die betroffenen Gemeinden entsteht.

Diese großen Herausforderungen der Windforschung bauen aufeinander auf. Die Charakterisierung der Betriebszone von Windenergieanlagen in der Atmosphäre wird für die Entwicklung der nächsten Generation noch größerer, kostengünstiger Windenergieanlagen von entscheidender Bedeutung sein. Das Verständnis sowohl der dynamischen Steuerung der Anlagen als auch der Vorhersage der Art des atmosphärischen Zuflusses ermöglichen eine bessere Steuerung.

Frontis Enegy unterstützt als innovatives Unternehmen den Übergang in eine CO2-neutrale Energieerzeugung.

(Foto: Fotolia)

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Schnelles Aufladen von Lithiumakkus bei hoher Temperatur

Eine der größten Hürden bei der Elektrifizierung der Straßenverkehrs ist die lange Aufladezeit der Lithiumakkus in elektrischen Fahrzeugen. In einem aktuellen Forschungsbericht im Fachmagazin Joule wurde jetzt gezeigt, daß man die Ladezeit auf 10 Minuten verkürzen kann, während man den Akku erwärmt.

Ein Lithiumakku kann nach nur 10 Minuten Ladezeit eine 320 Kilometer lange Fahrt mit Strom versorgen − vorausgesetzt, ihre Temperatur wird beim Aufladen auf mehr als 60 °C erhöht.

Lithiumbatterien, bei denen Lithiumionen zur Stromerzeugung verwendet werden, werden bei Raumtemperatur langsam aufgeladen. Das Aufladen dauertof mehr als drei Stunden, im Gegensatz zu drei Minuten beim Volltanken.

Eine kritische Barriere für die Schnellaufladung ist die Lithiumbeschichtung, die normalerweise bei hohen Laderaten auftritt und die Lebensdauer und Sicherheit der Batterien drastisch beeinträchtigt. Die Forscher der Pennsylvania State University in University Park stellen wir eine asymmetrische Temperaturmodulationsmethode vor, die einen Lithiumakku bei einer erhöhten Temperatur von 60 °C auflädt.

Durch das Hochgeschwindigkeitsladen wird Lithium normalerweise dazu angeregt, eine der Elektroden der Batterie zu beschichten (Lithiumplattierung). Dadurch wird der Energiefluß blockiert und der Akku wird schließlich unbrauchbar. Um eine Ablagerung von Lithium auf der Anodenzu vermeiden, haben die Forscher die Expositionszeit bei 60 °C auf nur ~10 Minuten pro Zyklus begrenzt.

Dabei griffen die Forscher auf industriell verfügbare Materialien zurück und minimierten den Kapazitätsverlust bei 500 Zyklen auf 20%. Eine bei Raumtemperatur geladene Batterie konnte nur 60 Zyklen lang schnell geladen werden, bevor ihre Elektrode plattiert wurde.

Die asymmetrische Temperatur zwischen Laden und Entladen eröffnet einen neuen Weg, um den Ionentransport während des Ladens zu verbessern und gleichzeitig eine lange Lebensdauer zu erreichen.

Über viele Jahrzehnte wurde allgemein angenommen, daß Lithumakkus wegen des beschleunigten Materialabbau nicht bei hohen Temperaturen betrieben werden sollten. Im Gegensatz zu dieser herkömmlichen Weisheit stellten die Forscher nun ein Schnelladeverfahren vor, das eine Zelle bei 60 °C lädt und die Zelle bei einer kühlen Temperatur entlädt. Zudem wird durch Laden bei 60 °C  der Batteriekühlungsbedarf um mehr als das 12-fache verringert.

Bei Batterieanwendungen hängen die Entladungsprofile vom Endverbraucher ab, während das Ladeprotokoll vom Hersteller festgelegt wird und daher speziell ausgelegt und gesteuert werden kann. Das hier vorgestellte Schnelladeverfahren eröffnet einen neuen Weg für den Entwurf elektrochemischer Energiesysteme, die gleichzeitig eine hohe Leistung und eine lange Lebensdauer erzielen können.

Bei Frontis Energy denken wir ebenfalls, daß es sich bei dem neuen einfachen Ladeverfahren um eine vielversprechende Methode handelt. Wir sind gespannt auf die Markteinführung dieser neuen Schnellademethode.

(Foto: iStock)

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Bioelektrischer Alkohol als Flüssigkraftstoff mit Hilfe von Hefen

Hefen wie Saccharomyces cerevisiae werden, wie der Name erraten läßt, zur Herstellung von Bier und anderen alkoholischen Getränken im großen Maßstab eingesetzt. Ihre hohe Salz- und Ethanoltoleranz macht sie dabei aber nicht nur für die Herstellung von Getränken nützlich, sondern auch für hohe Alkoholkonzentrationen bei der Produktion von Kraftstoffen. Wie wir schon berichteten, sind dabei neben dem bekannten Ethanol besonders auch die langkettigen Fuselalkohole interessant. Schon heute wird Bioethanol mit Benzin gemischt und verbessert somit die CO2-Bilanz von Verbrennungsmotoren. Dieser flüssiger Biokraftstoff wird entweder aus Stärke oder Lignocellulose hergestellt. Die lokale Produktion und Verwendung von Bioethanol unterstützt lokale Volkswirtschaften, verringert den CO2-Ausstoß und fördert die Selbstversorgung. Letzteres ist besonders wichtig für ressourcenarme Binnenländer von Bedeutung.

Um Ethanol und andere Alkohole effizient aus Lignocellulose-Hydrolysaten herzustellen, müssen Hefen sowohl Glucose als auch Pentosen wie Xylose und Arabinose verwenden. Dies liegt daran, daß Biomasse sowohl reich an Lignocellulose und damit auch Glucose und Xylose ist. Dies ist allerdings auch der Hauptnachteil der Verwendung von Saccharomyces cerevisiae, da sie Xylose nicht fermentieren kann. Dementsprechend ist die Identifizierung von Hefestämmen, die sowohl Glucose als auch Xylose fermentieren können, von großer Bedeutung. Hocheffiziente Hefestämme können, z.B. in Co-Kulturen mit anderen Hefen, die zur Lignocellulosefermentation fähig sind, für die Ethanolherstellung verwendet werden. Eine solche Hefe ist z.B. Wickerhamomyces anomalous.

Um die Ethanolproduktion weiter zu verbessern, kann bioelektrische Fermentationstechnologie eingesetzt werden, die die traditionelle Fermentation unterstützt. Der mikrobielle Metabolismus kann so elektrochemisch gesteuert werden. Die Vorteile sind vielfältig. Die Fermentation wird durch das Anlegen eines elektrochemischen Potentials selektiv, wodurch sich die Effizienz der  von Zuckerverwertung erhöht. Zudem wird so der Einsatz von Additiven zur Kontrolle das Redoxgleichgewichts sowie des pH-Wertes minimiert. Auch das Zellwachstum kann dadurch verbessert werden.

Solche bioelektrischen Zellen sind galvanische Zellen. Die in der bioelektrischen Zelle verwendeten Elektroden können als Elektronenakzeptoren oder -quelle wirken. Solche elektrochemischen Veränderungen wirken sich nicht nur auf den Stoffwechsel und die Zellregulation aus, sondern auch auf die Wechselwirkungen zwischen den eingesetzten Hefen aus. Jetzt hat eine Forschergruppe aus Nepal (einem ressourcenarmen Binnenland) neue Hefestämme von Saccharomyces cerevisiae und Wickerhamomyces anomalous in einem bioelektrischen Fermenter verwendet, um die Ethanolproduktion aus Biomasse zu verbessern. Die Ergebnisse haben die Wissenschaftler im Fachmagazin Frontiers in Energy Research publiziert.

Für die Studie wurden Saccharomyces cerevisiae und Wickerhamomyces anomalus ausgewählt, da beide gute Ethanolproduzenten sind und von letzterer gezeigt wurde, daß sie Xylose in Ethanol umwandeln können. Nachdem die Forscher eine Spannung an das System angelegt hatten, verdoppelte sich die Ethanolproduktion durch die verwendeten Hefen. Beide Hefen bildeten einen Biofilm auf den Elektroden, was das System ideal für den Einsatz als Durchflußsystem macht, da die Mikroorganismen nicht ausgewaschen werden.

Saccharomyces cerevisiae, lichtmikroskopische Aufnahme, 600-fache Vergrößerung (Foto: Amanda Luraschi)

Die Forscher spekulierten, daß die erhöhte Ethanolproduktion durch die stärker angetrieben Umwandlung von Pyruvat zu Ethanol zu Stande kam − dem zentralen Stoffwechselmechanismus der Hefe. Dies führten die Forscher auf einen Beschleunigung der Redoxreaktionen an der Anode und Kathode zurück. Die zugeführte externe Spannung polarisierte die im Cytosol vorhandenen Ionen und erleichtert so den Elektronentransfer von der Kathode. Dies und die beschleunigte Glucoseoxidation führten wahrscheinlich zu einer erhöhten Ethanolproduktion.

Normalerweise wird Pyruvat in Gärhefen zu Ethanol umgewandelt. Eine externe Spannungseingabe kann die Kinetik des Glukosestoffwechsels in Saccharomyces cerevisiae sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen zu steuern. Dabei spielen intrazelluläre wie das Transplasmamembran-Elektronentransfersystem eine wichtige Rolle für den Elektronentransport durch die Zellmembran. Das Elektronentransfersystem besteht aus Cytochromen und verschiedenen Redoxenzymen, die der Membran an bestimmten Stellen Redoxaktivität verleiht.

Die Autoren haben zudem festgestellt, daß eine erhöhte Salzkonzentration die Leitfähigkeit und damit die Ethanolproduktion fördert. Die erhöhte Ethanolproduktion aus lignocellulosehaltiger Biomasse könnte auch auf das Vorhandensein verschiedener Naturstoffe zurückzuführen sein, die das Wachstum von Hefestämmen fördern könnten. Wenn die Celluloseacetatmembran durch eine Nafion™-Membran ersetzt wurde, erhöhte dies die Ethanolproduktion ebenfalls. Das könnte auf einen verbesserten Transport von Xylose durch die Nafion™-Membran sowie auf die Abnahme des Innenwiderstands zurückzuführen sein. Eine weitere Steigerung der Ethanolproduktion wurde beobachtet, wenn der bioelektrische Reaktor mit feinen Platinpartikeln betrieben wurde, die auf die Platinanode aufgetragen waren, und Neutralrot auf der Graphitkathode abgeschieden wurde.

Hefekulturen von links nach rechts: Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Aureobasidium pullulans, Trichosporum cutaneum, Saccharomycopsis capsularis, Saccharomycopsis lipolytica, Hanseniaspora guilliermondii, Hansenula capsulata, Saccharomyces carlsbergensis, Saccharomyces rouxii, Rhodotorula rubra, Phaffia rhodozyba, Cryptococcus laurentii, Metschnikowia pulcherrima, Rhodotorula pallida

Bei Frontis Energy denken wir, daß die vorliegende Studie vielversprechend ist. Für die Zukunft sollten aber langkettige Fuselalkohole in Betracht gezogen werden, da diese weniger flüchtig und besser mit derzeitigen Verbrennungsmotoren verträglich sind. Diese können zudem leicht in die entsprechenden langkettigen Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden.

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Richtlinien für einen globalen CO2-Haushalt

Zahlreiche Untersuchungen haben während des letzten Jahrzehnts gezeigt, daß die globale Erwärmung in etwa proportional zur CO2-Konzentration in unserer Atmosphäre ist. Auf diese Weise läßt sich unser verbleibende Kohlenstoffhaushalt abschätzen. Das ist die Gesamtmenge des vom Menschen produzierten Kohlendioxids, die noch in die Atmosphäre abgegeben werden kann, bevor ein festgelegter globaler Temperaturgrenzwert erreicht wird. Auf diesen Grenzwert haben sich die Nationen der Welt im Pariser Abkommen 2015 geeinigt. Er soll 1,5°C nicht überschreiten, und in jedem Fall weit unter 2,0°C liegen. Es wurden jedoch zahlreiche Schätzungen für das verbleibende CO2 gemacht, was sich negativ auf die politische Entscheidungsfindung auswirkt. Jetzt hat eine internationale Forschergruppe von ausgewiesenen Klimaexperten eine Richtlinie für die Errechnung des globalen CO2-Haushalts im renomierten Fachmagazin Nature veröffentlicht. Die Forscher schlagen vor, daß die Anwendung dieser Richtlinie dazu beitragen soll, die teils gravierenden Unterschiede bei der Abschätzung des CO2-Haushalts auszugleichen, und die Unsicherheiten in Forschung und Politik zu verringern.

Seit dem fünften Bericht des Zwischenstaatlichen Gremiums für Klimawandel (IPCC) hat das Konzept eines CO2-Haushalts als Instrument zur Ausrichtung der Klimapolitik an Bedeutung gewonnen. In einer Reihe von Studien aus den letzten zehn Jahren wurde geklärt, warum der Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur in etwa proportional zur Gesamtmenge der CO2-Emissionen ist, die seit der industriellen Revolution durch menschliche Aktivitäten verursacht wurden. Dabei zitiert die Forschergruppe zahlreiche veröffentlichte Belege. Diese Literatur hat es Wissenschaftlern ermöglicht, den linearen Zusammenhang zwischen Erwärmung und CO2-Emissionen als transiente Klimareaktion auf kumulierte CO2-Emissionen (TCRE) zu definieren. Die Brillianz dieses Konzepts wird deutlich, die man erkennt, daß die Reaktion des komplexen Systems Erde auf unsere CO2-Emissionen durch eine ungefähr lineare Beziehung dargestellt werden kann. In jüngster Zeit wurden jedoch zusätzliche Prozesse, die die zukünftige Erwärmung beeinflussen, in Modelle einbezogen. Dabei handelt es sich z.B. um das Auftauen des arktischen Permafrosts. Diese zusätzlichen Prozesse erhöhen die Unsicherheit. Zudem wird die globale Erwärmung nicht nur durch CO2-Emissionen verursacht. Andere Treibhausgase, wie z.B. Methan, fluorierte Gase oder Lachgas, sowie Aerosole und deren Vorstufen beeinflussen die globalen Temperaturen. Dies verkompliziert die Beziehung zwischen zukünftigem CO2 weiter.

Bei der durch CO2 verursachten Klimaerwärmung trägt jede Tonne zur Erwärmung bei, egal ob diese Tonne CO2 heute, morgen oder in der Verganganheit ausgestoßen wurde. Dies bedeutet, daß die globalen CO2-Emissionen auf das Null gesenkt werden müssen, um dann dort zu bleiben. Das heißt auch, daß unsere Emissionen umso schneller sinken müssen, je mehr wir in den kommenden Jahren emittieren. Auf Nullemission würde sich die Erwärmung zwar stabilisieren, aber nicht verschwinden oder oder sich gar umgekehren. Eine Überziehung des CO2-Haushalts müßte also später wieder durch ein Entfernen des CO2s ausgeglichen werden.  So kann z.B. die Entfernung mit Hilfe von filtern geschehen, wie wir bereits berichteten. Schlußendlich wird dies wohl der einzig verbleibende Weg sein, denn die Durchdringung unserer Energiewirtschaft mit CO2-neutralen Quellen hat sich bei 5% stabilisiert. Die Aufstellung eines Kohlenstoffhaushalts macht die Dringlichkeit deutlich. Leider sind die Angaben über die uns verbleibende Menge CO2 weit gestreut. In ihrer Richtlinie zitieren die Forscher zahlreiche Studien zur Erhaltung des 1,5°C-Ziels, die von 0 Tonnen CO2 bis zu 1.000 Gigatonnen reichen. Für das 2,0°C-Ziel reicht die Spannweite von ca. 700 Gigatonnen bis hin zu fast 2.000 Gigatonnen verbleibende CO2-Emissionen. Das Ziel der Forscher ist es, diese Unsicherheit einzuschränken, in dem sie eine klare Richtlinie vorschlagen. Das zentrale Element dieser Richtlinie ist die Gleichung zur Berechnung des verbleibenden CO2-Haushaltsrahmens:

Blim = (TlimThistTnonCO2TZEC) / TCRE − EEsfb

Dieser Rahmen sind die verbleibenden CO2-Emissionen (Blim) für die spezifische Temperaturgrenze (Tlim) als Funktion von fünf Termen, die Aspekte des geophysikalischen und gekoppelten Mensch-Umwelt-Systems darstellen: die bisherige vom Menschen verursachte Erwärmung (Thist), der Nicht-CO2-Beitrag zum zukünftigen Temperaturanstieg (TnonCO2), die Nullemissionsfestlegung (TZEC), die TCRE und eine Anpassung für Quellen aus eventuellen Rückkopplungen mit nicht erfaßten geologischen Systemen (EEsfb).

Term

Bedeutung

Art

Derzeitiges Verständnis

Erwärmungsgrenze Tlim Wahl der Temperaturmetriken, mit denen die globale Erwärmung, die Wahl des vorindustriellen
Bezugszeitraums und die Übereinstimmung mit den globalen Klimazielen ausgedrückt werden
Wählbar Mittel bis hoch
Vergangene menschenverursachte Erwärmung Thist Unvollständige Erfassung in Beobachtungsdatensätzen und Methoden zur Abschätzung der vom Menschen verursachten Komponente; Siehe auch Tlim Unsicherheit Mittel bis hoch
Nicht-CO2 Erwärmung TnonCO2 Die Höhe der verschiedenen Nicht-CO2-Emissionen, die mit den weltweiten Netto-Null-CO2-Emissionen übereinstimmen, hängt von den politischen Entscheidungen, aber auch vom unsicheren Erfolg ihrer Umsetzung ab Wählbare Unsicherheit Mittel
Nicht-CO2 Erwärmung TnonCO2 Klimareaktion auf Nicht-CO2-Verusacher, insbesondere in Bezug auf die Aerosolrückgewinnung und  Temperaturreduzierung aufgrund geringerer Methanemissionen Unsicherheit Niedrig bis mittel
Nullemissionsverpflichtung TZEC Vorzeichen und Ausmaß der Nullemissionsverpflichtung in dekadischen Zeitskalen für aktuelle und nahezu Null jährliche CO2-Emissionen Unsicherheit Niedrig
Transiente Klimareaktion auf
kumulierte CO2-Emissionen
TCRE Verteilung der TCRE-Unsicherheit, Linearität der TCRE zur Erhöhung und Stabilisierung der kumulativen CO2-Emissionen und Auswirkung von Temperaturmetriken auf die TCRE-Schätzung Unsicherheit Niedrig bis mittel
Transiente Klimareaktion auf
kumulierte CO2-Emissionen
TCRE Über die Spitzenerwärmung hinausgehende Unsicherheit der Linearität, Wert und Verteilung der TCRE zur  Verringerung der kumulierten CO2-Emissionen Unsicherheit Niedrig
Rükkopplungen mit nicht erfaßten
geologischen Systemen
EEsfb Dauer und Ausmaß des Auftauens von Permafrost und der Methanfreisetzung aus Feuchtgebieten und deren Darstellung in Geomodellen sowie andere mögliche Arten von Rückkopplungen Unsicherheit Sehr niedrig

In dem CO2-Haushalt ist wohl die Rückkopplungen mit nicht erfaßten geologischen Systemen (EEsfb) die größte Unsicherheit. Diese Rückkopplungsprozesse sind typischerweise mit dem Auftauen von Permafrost und der damit verbundenen langfristigen Freisetzung von CO2 und CH4 verbunden. Es wurden jedoch auch andere Rückkopplungsquellen für das Geosystem identifiziert, wie z.B. die Änderungen der CO2-Aufnahme in der Vegetation und die damit verbundene Stickstoffverfügbarkeit. Weitere Rückkopplungsprozesse involvieren die Änderungen der Oberflächenalbedo, der Wolkendecke oder von Brandbedingungen.

Es bleibt es eine Herausforderung, die Unsicherheiten im Zusammenhang mit den Schätzungen des CO2-Haushalt angemessen zu charakterisieren. In einigen Fällen ist die Ursache der Unsicherheiten ungenaue Kenntnis der zugrunde liegenden Prozesse oder mangelnde Genauigkeit der Messungen. In anderen Fällen werden Begriffe nicht einheitlich verwendet. Für eine bessere Vergleichbarkeit und Flexibilität schlagen die Forscher vor, die globalen Werte der Oberflächenlufttemperatur routinemäßig zu messen. Diese Methode liefert unveränderliche Zahlen für Modelle, Modellabläufe über gewählte Zeiträume hinweg. Detailliertere Vergleiche zwischen veröffentlichten Schätzungen den CO2-Haushalt sind derzeit schwierig, da oft die Originaldaten aus den ursprünglichen Studien fehlen. Die Forscher schlagen daher vor, diese zukünftig zusammen mit den Publikationen bereitzustellen.

Die Zerlegung des CO2-Haushalts in seine Einzelfaktoren ermöglicht es, eine Reihe vielversprechender Wege für die zukünftige Forschung zu identifizieren. Ein Forschungsbereich, der dieses Feld voranbringen könnte, ist die nähere Betrachtung der TCRE. Zukünftige Forschungen werden voraussichtlich die Bandbreite der TCRE-Schätzungen einschränken, was die Unsicherheit verringern wird. Ein weiteres vielversprechendes Forschungsgebiet ist die Untersuchung der Wechselbeziehung zwischen Einzelfaktoren und ihren verbunden Unsicherheiten, beispielsweise zwischen Unsicherheiten in Thist und TnonCO2. Dies könnte durch die Entwicklung von Methoden erreicht werden, die eine zuverlässige Abschätzung der vom Menschen verursachten Erwärmung in jüngerer Zeit ermöglichen. Klar ist auch, daß weniger komplexe Klimamodelle nützlich sind, um die Unsicherheiten weiter zu reduzieren. Gegenwärtig weist jeder Faktor des vorgestellten Rahmens seine eigenen Unsicherheiten auf, und es fehlt eine Methode, um diese Unsicherheiten formal zu kombinieren.

Auch bei Frontis Energy denken wir, daß Fortschritte in diesen Bereiche unser Verständnis bei der Schätzungen des CO2-Haushalts verbessern würde. Ein systematisches Verständnis des CO2-Haushalts und ist für eine wirksame Zielsetzung und die Kommunikation der Herausforderungen beim Klimaschutze von entscheidender Bedeutung.

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Billiger Biokraftstoff mit hoher Oktanzahl entwickelt

Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) haben eine billige Methode zur Herstellung von Benzin mit hoher Oktanzahl aus Methanol entwickelt und diese im Fachblatt Nature Catalysis veröffentlicht. Methanol kann über verschiedene Wege aus CO2 gewonnen werden, wie wir bereits im letzten Jahr berichteten. Biomasse, wie z.B. Holz, ist dabei eine mögliche Methode.

Die Herstellung von Biokraftstoffen aus Holz ist allerdings zu teuer, um mit fossilen Brennstoffen zu konkurrieren. Um eine Lösung für dieses Problem zu finden, kombinierten die NREL-Forscher ihre Grundlagenforschung mit einer wirtschaftlichen Analyse. Dabei zielten die Forscher zunächst auf den teuersten Teil des Prozesses. Danach fanden die Forscher Methoden, um diese Kosten mit Methanol als Zwischenprodukt zu senken.

Bisher lagen die Kosten für die Umwandlung von Methanol in Benzin oder Diesel bei ungef 0.24 € pro Liter. Die Forscher haben nun einen Preis von ca. 0.16 € pro Liter erreicht.

Bei der katalytischen Umwandlung von Methanol in Benzin handelt es sich um ein wichtiges Forschungsgebiet im Bereich der CO2-Rückgewinnung. Die traditionelle Methode beruht auf mehrstufigen Prozessen und hohen Temperaturen. Sie ist teuer, produziert minderwertigen Kraftstoff in geringen Mengen. Damit ist sie im Vergleich zu Kraftstoffen auf Erdölbasis nicht konkurrenzfähig.

Das entwickelte Verfahren stieß zunächst auf das Problem eines Wasserstoffmangels. Wasserstoff ist das energetische Schlüsselelement in Kohlenwasserstoffen. Die Forscher stellten die Hypothese auf, daß die Verwendung des Übergangsmetalls Kupfer dieses Problem lösen würde, was es auch tat. Die Forscher schätzen, daß der mit Kupfer infundierte Katalysator zu 38% mehr Ausbeute weniger Kosten führte.

Durch Erleichterung der Wiedereingliederung von C4-Nebenprodukten während der Homologation von Dimethylether ermöglichte der Kupfer-Zeolith-Katalysator die 38%ige Steigerung der Ausbeute des Produkts und eine 35%ige Reduzierung der Umwandlungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Zeolith-Katalysatoren. Alternativ dazu wurden C4-Nebenprodukte an ein synthetisches Kerosin weitergeleitet, das fünf Spezifikationen für einen typischen Düsentreibstoff erfüllte. Die Treibstoffsynthesekosten nahmen dabei im Vergleich geringfügig zu. Selbst wenn die Kosteneinsparungen minimal wären, hätte das resultierende Produkt einen höheren Wert.

Abgesehen von den Kosten bietet der neue Prozess den Anwendern weitere Wettbewerbsvorteile. Zum Beispiel können Unternehmen mit Ethanolherstellern um Gutschriften für erneuerbare Brennstoffe konkurrieren (wenn der verwendete Kohlenstoff aus Biogas oder Hausabfällen stammt). Der Prozess ist auch mit vorhandenen Methanolanlagen kompatibel, die Erdgas oder festen Abfall zur Erzeugung von Synthesegas verwenden.

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Halbleiternanoröhrchen mit photovoltaischem Effekt

Kostengünstigen und effiziente Methoden zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität stehen im Fokus der Erforschung umweltfreundlicher Methoden zur Energiegewinnung. Solarzellen, die zu diesem Zweck entwickelt wurden bestehen zurzeit aus Halbleitern wie Silizium. Elektrische Energie wird am Übergang zwischen zwei verschiededen Halbleitern erzeugt. Der Wirkungsgrad dieser Solarzellen hat jedoch seine theoretische Grenze fast erreicht. Neue Methoden zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität müssen daher gefunden werden, um eine größere Durchdringung unserer Energienetze mit erneuerbaren Energiequellen zu ermöglichen. Ein internationales Forscherkonsortium aus Deutschland, Japan und Israel hat jetzt einen wichtigen Fortschritt in dieser Richtung erzielt. Zhang und Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich im angesehen Fachblatt Nature. Sie demonstrieren eine übergangsfreie Solarzelle, die durch Auftragen einer atomeren Halbleiterschicht in eine Nanoröhre hergestellt werden kann.

In einer herkömmlichen Solarzelle werden zwei Bereichen eines Halbleiters in einem als Dotierung bekannten Prozess unterschiedliche chemische Elemente hinzugefügt. Der elektrische Transport erfolgt durch die negativ geladene Elektronen einer Region und durch die positiv geladene Elektronenlöcher (Defektelektronen). An der Verbindungsstelle zwischen diesen beiden Bereichen wird ein elektrisches Feld erzeugt. Wenn an diesem Übergang Sonnenlicht absorbiert wird, entstehen Elektron-Defektelektronen-Paare. Die Elektronen und Defektelektronen werden dann durch das entstandene elektrische Feld getrennt, wodurch ein elektrischer Strom entsteht. Diese Umwandlung von Sonnenenergie in Strom wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet. Dieser photovoltaische Effekt ist besonders wichtig für eine umweltfreundliche Energiegewinnung. Sein Wirkungsgrad hat wie eingangs gesagt fast die theoretische Grenze erreicht.

Physikalisch entsteht der photovoltaische Effekt in traditionellen pn-Übergängen, bei denen ein p-Typ-Material (mit einem Überschuss an Defektelektronen) an ein n-Typ-Material (mit einem Überschuss an Elektronen) angrenzt. In der lichtinduzierten Erzeugung von Elektronen-Defektelektronen-Paaren und deren anschließende Trennung wird Strom erzeugt. Weitere Fortschritte werden durch die Nutzung anderer photovoltaischer Effekte erwartet, die keinen Übergang erfordern und nur in Kristallen mit gebrochener Inversionssymmetrie auftretet. Die praktische Umsetzung dieser Effekte wird jedoch durch die geringe Effizienz der vorhandenen Materialien behindert. Halbleiter mit reduzierter Dimensionalität oder kleinerem Bandabstand haben sich als effizienter erwiesen. Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) sind z.B. zweidimensionale Halbleiter mit kleiner Bandlücke, bei denen verschiedene Effekte durch Aufbrechen der Inversionssymmetrie in ihren Volumenkristallen beobachtet wurden.

Die neu entwickelte photovolataische Methode basiert auf Wolframdisulfid, einem Mitglied der TMD-Familie. Kristalle dieses Materials sind schichtförmig aufgebaut und können ähnlich wie Graphit schichtweise abgezogen werden. Die resultierenden atomdicken Bleche können dann durch chemische Verfahren zu Röhrchen mit Durchmessern von etwa 100 Nanometern gewalzt werden. Die Autoren stellten photovoltaische Apparate aus drei Arten von Wolframdisulfid her: eine Monoschicht, eine Doppelschicht und eine Nanoröhre.

Eine systematische Reduzierung der Kristallsymmetrie wurde über die bloße gebrochene Inversionssymmetrie hinaus erreicht. Der Übergang von einer zweidimensionalen Monoschicht zu einer Nanoröhre mit polaren Eigenschaften wurde erheblich verbessert. Die so erzeugte Photostromdichte ist um Größenordnungen größer als die anderer vergleichbarer Materialien. Die Ergebnisse bestätigen nicht nur das Potenzial von TMD-basierten Nanomaterialien, sondern allgemein auch die Bedeutung der Reduzierung der Kristallsymmetrie für die Verbesserung des photovoltaischen Effekts.

Während die Nanoröhrenbauelemente einen großen photovoltaischen Effekt hatten, erzeugten die Einschicht- und Zweischicht-Bauelemente unter Beleuchtung nur einen vernachlässigbaren elektrischen Strom. Die Forscher führen die unterschiedlichen Leistungsmerkmale der Solarzellen auf ihre ausgeprägte Kristallsymmetrie zurück. So kann man spontan einen Strom in gleichmäßigen Halbleitern erzeugen, ohne daß ein Übergang erforderlich ist.

Der Effekt wurde erstmals 1956 in den Bell Laboren in New Jersey beobachtet, nur zwei Jahre nach der Erfindung moderner Siliziumsolarzellen. Der Effekt ist auf nicht zentrosymmetrische Materialien beschränkt, die durch mangelnde Symmetrie bei räumlicher Inversion (die Kombination aus einer 180°-Drehung und einer Reflexion) gekennzeichnet sind. Der Effekt hat zwei faszinierende Eigenschaften: Der durch Licht erzeugte Strom hängt von der Polarisation des einfallenden Lichts ab und die zugehörige Spannung ist größer als die Bandlücke des Materials. Das ist die Energie, die zur Anregung von leitenden freien Elektronen erforderlich ist. Der Effekt weist jedoch typischerweise eine geringe Umwandlungseffizienz auf und ist daher im Laufe der Jahre eher von akademischem als von praktischem Interesse geblieben.

Um eine hohe Effizienz zu erzielen, muß ein Material eine hohe Lichtabsorption und eine geringe innere Symmetrie aufweisen. Diese beiden Eigenschaften existieren jedoch in einem bestimmten Material normalerweise nicht gleichzeitig. Halbleiter, die das meiste einfallende Sonnenlicht absorbieren, weisen im Allgemeinen eine hohe Symmetrie auf. Das verringert oder verhindert gar den Effekt. Materialien mit geringer Symmetrie, wie Perowskitoxide, absorbieren aufgrund ihrer großen Bandlücke nur wenig Sonnenlicht. Um dieses Problem zu umgehen, wurden enorme Anstrengungen unternommen, um die Lichtabsorption in Materialien mit geringer Symmetrie zu verbessern, beispielsweise durch Verwendung der erwähnten Dotierung. Inzwischen wurde gezeigt, daß die Effekt in Halbleitern auftreten kann, indem mechanische Felder verwendet werden, um die Kristallsymmetrie des Materials anzupassen.

Die neu entdeckte Lösung ist ermutigend im Hinblick auf die Herstellung von Halbleiternanoröhrchen mit hoher Lichtabsorption. Im Falle von Wolframdisulfid ist die Kristallsymmetrie der Nanoröhrchen im Vergleich zur Mono- und Doppelschicht aufgrund der gekrümmten Wände des Röhrchens verringert. Die Kombination aus ausgezeichneter Lichtabsorption und geringer Kristallsymmetrie bedeutet, daß die Nanoröhrchen einen erheblichen photovoltaischen Effekt aufweisen. Die elektrische Stromdichte übertrifft die von Materialien, die von Natur aus eine geringe Symmetrie aufweisen. Dennoch ist die erzielte Umwandlungseffizienz immer noch viel geringer ist als die des Photovoltaik-Effekts in herkömmlichen Solarzellen auf Sperrschichtbasis.

Die Ergebnisse der Autoren belegen das große Potenzial von Nanoröhrchen bei der Gewinnung von Sonnenenergie und werfen verschiedene technologische Herausforderungen und wissenschaftliche Fragen auf. Aus Anwendersicht wäre es aufschlußreich, eine Solarzelle zu fertigen die aus eine hohen Zahl von Halbleiternanoröhrchen besteht, um zu überprüfen, ob sich der Ansatz skalieren lässt. Die Richtung des erzeugten Stroms würde weitgehend von der inneren Symmetrie des Materials bestimmt. Daher wäre eine gleichmäßige Symmetrie über das Nanoröhrchenanordnungen erforderlich, um einen gemeinsamen Strom zu erzeugen. Dabei könnten sich die in verschiedenen Nanoröhrchen gegenseitig ausgleichen, was zu einer Anullierung des erzeugten Stroms führen würde.

Bei Frontis Energy fragen wir uns, ob die beschrieben Methode mit dem klassichen photovoltaischen Effekt in derselben Solarzelle zusammenwirken könnte. Das würde eventuell den Gesamtwirkungsgrad steigern. Die beiden Effekte könnten die Sonnenenergie aufeinander folgend nutzen. Trotz der verbleibenden Herausforderungen bietet die vorgelgte Arbeit einen Möglichkeit zur Entwicklung hocheffizienter Solarzellen.

(Photo: Wikipedia)

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Intelligente Batterien durch künstliches Lernen

Erneuerbare Energie, z.B. Wind- und Solarenergie stehen nur intermediär zur Verfügung. Um das Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage auszugleichen, können unter anderem Batterien von Elektrofahrzeugen aufgeladen werden und so als Energiepuffer für das Stromnetz fungieren. Autos verbringen den größten Teil ihrer Zeit im Stand und könnten ihren Strom in das Stromnetz zurückspeisen. Dies ist zwar zur Zeit noch Zukunftsmusik aber Vermarktung von Elektro- und Hybridfahrzeugen verursacht in jedem Fall eine wachsende Nachfrage nach langlebigen Batterien, sowohl für das Fahren  als auch als Netzpufferung. Methoden zur Bewertung des Batteriezustands werden dadurch zunehmend an Bedeutung an Bedeutung gewinnen.

Die lange Testdauer des Akkzustands ist ein Problem, das die rasche Entwicklung neuer Akkus behindert. Bessere Methoden zur Vorhersage der Akkulebensdauer werden daher dringend benötigt, sind jedoch äußerst schwierig zu entwickeln. Jetzt berichten Severson und ihre Kollegen im Fachjournal Nature Energy, daß künstliches Lernen bei der Erstellung von Computermodellen zur Vorhersage der Akkulebensdauer helfen kann. Dabei werden Daten aus Lade- und Entladezyklen frühen Stadien verwendet.

Normalerweise beschreibt eine Gütezahl den Gesundheitszustand eines Akkus. Diese Gütezahl quantifiziert die Fähigkeit des Akkus, Energie im Verhältnis zu seinem ursprünglichen Zustand zu speichern. Der Gesundheitszustand ist 100%, wenn der Akku neu ist und nimmt mit der Zeit ab. Das aehnelt dem Ladezustand eines Akkus. Das Abschätzen des Ladezustands einer Batterie ist wiederum wichtig, um eine sichere und korrekte Verwendung zu gewährleisten. In der Industrie oder unter Wissenschaftlern besteht jedoch kein Konsens darüber, was genau Gesundheitszustand ist oder wie es bestimmt werden sollte.

Der Gesundheitszustand eines Akkus spiegelt zwei Alterserscheinungen wider: fortschreitender Kapazitätsabfall sowie fortschreitende Impedanzerhöhung (ein anderes Maß für den elektrischen Widerstand). Schätzungen des Ladezustands eines Akkus müssen daher sowohl den Kapazitätsabfall als auch den Impedanzanstieg berücksichtigen.

Lithiumionenbatterien sind jedoch komplexe Systeme in denen sowohl Kapazitätsschwund als auch Impedanzanstieg durch mehrere wechselwirkende Prozesse hervorgerufen werden. Die meisten dieser Prozesse können nicht unabhängig voneinander untersucht werden, da sie oft parallel stattfinden. Der Gesundheitszustand kann daher nicht aus einer einzigen direkten Messung bestimmt werden. Herkömmliche Methoden zur Abschätzung des Gesundheitszustands umfassen die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen den Elektroden einer Batterie. Da solche Methoden oft in das System „Batterie“ direkt eingreifen, machen sie den Akku unbrauchbar, was wohl selten gewünscht ist.

Der Gesundheitszustand kann aber auch auf weniger invasive Weise mithilfe adaptive Modelle und experimentelle Techniken bestimmt. Adaptive Modelle lernen aus aufgezeichneten Akkuleistungsdaten und passen sich dabei selbst an. Sie sind nützlich, wenn keine systemspezifischen Informationen zum Akku verfügbar sind. Solche Modell eignen sich zur Diagnose der Alterungsprozessen. Das Hauptproblem besteht jedoch darin, daß sie mit experimentellen Daten trainiert werden müssen, bevor sie zur Bestimmung der aktuellen Kapazität einer Batterie verwendet werden können.

Experimentelle Techniken werden verwendet, um bestimmte physikalische Prozesse und Ausfallmechanismen zu bewerten. Dadurch kann die Geschwindigkeit des zukünftigen Kapazitätsverlusts abgeschätzt werden. Diese Methoden können jedoch keine zeitweilig auftretenden Fehler erkennen. Alternative Techniken nutzen die Geschwindigkeit der Spannungs-  oder Kapazitätsänderung (anstelle von Rohspannungs- und Stromdaten). Um die Entwicklung der Akkutechnologie zu beschleunigen, müssen noch weitere Methoden gefunden werden, mit denen die Lebensdauer der Batterien genau vorhergesagt werden kann.

Severson und ihre Kollegen haben einen umfassenden Datensatz erstellt, der die Leistung von 124 handelsüblichen Lithiumionenbatterien während ihrer Lade- und Entladezyklen umfaßt. Die Autoren verwendeten eine Vielzahl von Schnelladebedingungen mit identische Entladungen, um die Lebensdauer der Batterien zu ändern. In den Daten wurde eine breite Palette von 150 bis 2.300 Zyklen erfaßt.

Anschließend analysierten die Forscher die Daten mithilfe von künstliches Lernalgorithmen und erstellten dabei Modelle, mit denen sich die Lebensdauer der Akkus zuverlässig vorhersagen lässt. Bereits nach den ersten 100 Zyklen jedes experimentell charakterisierten Akkus zeigten diese deutliche Anzeichen eines Kapazitätsschwunds. Das beste Modell konnte die Lebensdauer von etwa 91% der in der Studie untersuchten vorhersagen. Mithilfe der ersten fünf Zyklen konnten Akkus in Kategorien mit kurzer (<550 Zyklen) oder langer Lebensdauer eingeordnet werden.

Die Arbeit der Forscher zeigt, daß datengetriebene Modellierung durch künstliches Lernen ein zur Vorhersage des Gesundheitszustands von Lithiumionenbatterien ist. Die Modelle können Alterungsprozesse identifizierten, die sich in frühen Zyklen nicht in Kapazitätsdaten manifestieren. Dementsprechend ergänzt der neue Ansatz die bisheringen Vorhersagemodelle. Bei Frontis Energy sehen wir aber auch die Möglichkeit, gezielt generierte Daten mit Modellen zu kombinieren, die das Verhalten anderer komplexer dynamischer Systeme vorherzusagen.

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Schneller photoelektrischer Wasserstoff

Das Erreichen hoher Stromdichten bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz ist eine der größten Herausforderungen bei der Verbesserung photoelektrochemischer Geräte. Höhere Stromdichten beschleunigen die Erzeugung von Wasserstoff und anderer elektrochemischer Brennstoffe.

Jetzt wurde ein kompaktes solarbetriebenes Gerät zur Wasserstofferzeugung entwickelt, das den Brennstoff in Rekordgeschwindigkeit erzeugt. Die Autoren um Saurabh Tembhurne beschreiben ein Konzept im Fachblatt Nature Energy, das es ermöglicht, konzentrierte Sonneneinstrahlung (bis zu 474 kW/m²) durch thermische Integration, Stofftransportoptimierung und bessere Elektronik zwischen Photoabsorber und Elektrokatalysator zu verwenden.

Die Forschungsgruppe der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) errechnete die Zunahme der maximalen Wirkungsgrade, die theoretisch möglich sind. Danach überprüften sie die errechneten Werte experimentell unter Verwendung eines Photoabsorbers und eines Elektrokatalysators auf Iridium-Rutheniumoxid-Platin-Basis. Der Elektrokatalysator erreichte eine Stromdichte von mehr als 0,88 A/cm², wobei der erechneten Wirkungsgrad für die Umwandlung von Sonnenenenergie in Wasserstof mehr als 15% betrug. Das System war unter verschiedenen Bedingungen für mehr als zwei Stunden stabil. Als nächtes wollen die Forscher ihr System skalieren.

Der produzierte Wasserstoff kann in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung verwendet werden weshalb sich das entwickelte System zur Energierspeicherung eignet. Die mit Wasserstoff betriebene Stromerzeugung gibt nur reines Wasser ab, die saubere und schnelle Erzeugung von Wasserstoff ist jedoch eine Herausforderung. Bei der photoelektrischen Methode werden Materialien verwendet, die denen von Solarmodulen ähneln. Die Elektrolyte basierten in dem neuen System auf Wasser, wobei auch Ammoniak denkbar wäre. Sonnenlicht, das auf diese Materialien fällt, löst eine Reaktion aus, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Bisher konnten alle photoelektrischen Methoden jedoch nicht im industriellen Maßstab eingesetzt werden.

2 H2O → 2 H2 + O2; ∆G°’ = +237 kJ/mol (H2)

Das neu entwickelte System nahm mehr als das 400-fachen der Sonnenenergie auf, die normalerweise auf eine bestimmte Erdoberfläche fällt. Dazu benutzten die Forscher Hochleistungslampen, um die notwendige „Sonnenenergie“ bereitzustellen. Bestehende Solaranlagen konzentrieren die Sonnenenergie mithilfe von Spiegeln oder Linsen in ähnlichem Maße. Die Abwärme wird verwendet, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Das Team sagt voraus, daß das Testgerät mit einer Grundfläche von etwa 5 cm in sechs Sonnenstunden schätzungsweise 47 Liter Wasserstoffgas produzieren kann. Dies ist die höchste Rate pro Flächeneinheit für solche solarbetriebenen elektrochemischen Systeme. Bei Frontis Energy hoffen wir, dieses System schon bald testen und anbieten zu können.

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Ammoniak als Energiespeicher #3

Als treue Leserin oder treuer Leser unseres Blogs werden Sie sich bestimmt an unsere vorherigen Beiträge zum Thema Ammoniak als Energiespeicher erinnern. Darin beschreiben wir mögliche Wege zur Gewinnung von Ammoniak aus der Luft, sowie der Rückgewinnung der dabei aufgebrachten Energie in Form von Methan. Letzteres Verfahren haben wir zum Patent angemeldet (WO2019/079908A1). Da die weltweite Nahrungsmittelproduktion große Mengen Ammoniak als Dünger erfordert, ist die Technologie zur Gewinnung aus der Luft schon sehr ausgereift. Diese basiert im Wesentlichen noch immer auf dem Haber-Bosch-Verfahren, welches zu Beginne des letzten Jahrhunderts zur Industriereife gebracht wurde. Dabei wird atmosphärischer Stickstoff (N2) zu Ammoniak (NH3) reduziert. Trotz der Einfachheit der beteiligten Moleküle ist die Spaltung der starken Stickstoff-Stickstoff-Bindungen im N2 und die daruas folgende Stickstoff-Wasserstoff-Bindungen eine große Herausforderung für katalytische Chemiker. Die Reaktion findet in der Regel unter harschen Bedingungen statt und benötigt viel Energie, d.h. hohe Reaktionstemperaturen, hohe Drücke und komplizierte Kombinationen von Reagenzien, die zudem oft teuer und energieintensiv in der Herstellung sind.

Jetzt hat eine Forschergruppe um Yuya Ashida einen Artikel im renomierten Fachblatt Nature veröffentlicht, in dem sie zeigen, daß eine Samariumverbindung in wässriger Lösung mit einem Molybdänkatalysator kombiniert, Ammoniak aus Luftstickstoff bilden kann. Die Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten auf der Suche nach Wegen zur Ammoniaksynthese, welche unter Umgebungsbedingungen ablaufen. Unter solchen Bedingungen wäre der Energieaufwand zur Herstellung von Ammoniak geringer und somit die Energieeffizienz bei Energiespeicherung höher. Im heutigen Haber-Bosch-Verfahren werden Luftstoff und Wasserstoffgas über einem eisenhaltigen Katalysator miteinander verbunden. Die weltweite Ammoniakproduktion liegt heute bei 250 bis 300 Tonnen pro Minute und liefert Düngemittel, mit denen fast 60% der Weltbevölkerung versorgt werden (The Alchemy of Air, erhältlich bei Amazon).

Vergleich von Ansätzen zur Herstellung von Ammoniak. Oben: Bei der industriellen Haber-Bosch-Synthese von Ammoniak (NH3) reagiert Stickstoffgas (N2) mit Wasserstoffmolekülen (H2), typischerweise in Gegenwart eines Eisenkatalysators. Das Verfahren erfordert hohe Temperaturen und Drücke, ist jedoch thermodynamisch ideal, weil nur wenig Energie für Nebenprozesse verschwendet wird. Mitte: Nitrogenase-Enzyme katalysieren die Reaktion von Stickstoff mit sechs Elektronen (e) und sechs Protonen (H+) unter Laborbedingungen zu Ammoniak. Zwei zusätzliche Elektronen und Protonen bilden jedoch ein Molekül H2, und die Umwandlung von ATP (der Zellbrennstoff) in ADP treibt die Reaktion an. Das Verfahren weist daher ein hohes chemisches Überpotential auf. Es verbraucht viel mehr Energie, als für die eigentliche Ammoniakbildungsreaktion benötigt wird. Unten: Bei der neue Reaktion, vorgeschlagen von Ashida und Kollegen, wird ein Gemisch aus Wasser und Samariumdiiodid (SmI2) mit Stickstoff unter Umgebungsbedingungen in Gegenwart eines Molybdänkatalysators in Ammoniak umwandelt. SmI2 schwächt die O−H-Bindungen des Wassers und erzeugt die Wasserstoffatome, die dann mit Distickstoff reagieren.

Im großtechnischen Maßstab wird  Ammoniak bei Temperaturen von über 400°C und Drücken von ungefähr 400 Atmosphären synthetisiert. Diese Bedingungen werden oft auch als „harsch“ bezeichnet. Anfägnlich waren dies harschen Bedingungen nur schwer zu kontrollieren, was oft zu tötlichen Unfällen in den frühen Jahren des Haber-Bosch-Verfahrens führte. Dies hat viele Chemiker dazu motiviert, „mildere“ Alternativen zu finden. Schlußendlich bedeutete dies immer die Suche nach neuen Katalysatoren, um die Betriebstemperaturen und -drücke zu senken. Die Suche nach neuen Katalysatoren sollte am Ende Investitionen beim Bau von neuen Ammoniakanlagen senken. Da die Ammoniaksynthese zu den größten Kohlendioxidproduzenten gehört, würden dadurch auch die damit verbudenen Emissionen gesenkt werden.

Wie viele andere Chemiker vor ihnen, haben sich die Autoren von der Natur inspirieren lassen.  Die Familie der Nitrogenaseenzyme ist für die biologische Umwandlung von Luftstickstoff in Ammoniak verantwortlich, ein Prozess, der als Stickstoffixierung bezeichnet wird. Dieser Prozess ist in der modernen Welt die Quelle von Stickstoffatomen in Aminosäuren und Nukleotiden, also den elementaren Bausteinen des Lebens. Im Gegensatz zum Haber-Bosch-Prozess verwenden Nitrogenasen jedoch kein Wasserstoffgas als Quelle für Wasserstoffatome. Stattdessen übertragen sie Protonen (Wasserstoffionen; H+) und Elektronen (e) auf jedes Stickstoffatom, um N−H Bindungen herzustellen. Obwohl Nitrogenasen Stickstoff bei Umgebungstemperatur fixieren, verwenden sie acht Protonen und Elektronen pro Stoffmolekül. Dies ist bemerkenswert, weil Stöchiometrie der Reaktion nur sechs erfordert. Die Nitrogenasen stellen dadurch notwendigen thermodynamischen für die Fixierung bereit. Die Bereitstellung von überschüssigen Wasserstoffäquivalenten bedeutet, daß Nitrogenasen ein hohes chemischen Überpotential angewisen sind. Sie also verbrauchen viel mehr Energie, als tatsächlich für eigentliche Stickstoffixierung notwendig wäre.

Der nun veröffentliche Weg ist nicht der erste Versuch, die Nitrogenasereaktion nachzuahmen. Auch früher wurden Metalkomplexe zusammen mit Protonen- und Elektronenquellen verwendet, um Luftstickstoff in Ammoniak umzuwandeln. So hatten z.B. die selben Forscher zuvor 8 Molybdänkomplexe entwickelt, die die Stickstoffixierung auf diese Weise katalysieren. Dabei wurden  230 Ammoniakmoleküle pro Molybdänkomplex produziert. Die damit verbundenen Überpotentiale waren mit fast 1.300 kJ pro Mol Stickstoff erheblich. In der Realität is das Haber-Bosch-Verfahren also gar nicht so energieintensiv, wenn der richtige Katalysator zum Einsatz kommt.

Die Herausforderung für Katalyseforscher besteht nun darin, die besten biologischen und industriellen Ansätze für die Stickstoffixierung so zu kombinieren, daß das Verfahren normalen Umgebungstemperaturen und -drücken abläuft. Gleichzeitig muß der Katalysator das chemische Überpotential so weit reduzieren, das der Neubau von Haber-Bosch-Anlagen nicht mehr so viel Kaptial erfordert, wie zur Zeit noch. Das ist eine große Herausforderung, da bisher noch keine Kombination von Säuren (die als Protonenquelle dienen) und Reduktionsmitteln (die Elektronenquellen) gefunden wurde, die eine thermodynamischen Bedinugnen für die Fixierung auf dem Niveau von Wasserstoffgas liefert. D.h. die Kombination muß reaktiv genug sein, um N−H-Bindungen bei Raumtemperatur bilden zu können. In dem nun vorgeschlagenen Weg mit  Molybdän und Samarium haben die Forsche eine Strategie übernommen, bei der die Protonen- und Elektronenquellen nicht mehr getrennt eingesetzt werden. Dieser grundlegend neue Ansatz für die katalytische Ammoniaksynthese basiert auf einem Phänomen, das als koordinationsinduzierte Bindungsschwächung bekannt ist. In dem vorgeschlagenen Weg basiert das Phänomen auf dem Zusammenspiel von Samariumdiiodid (SmI2) und Wasser.

Wasser ist stabiel aufgrund seiner starken Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen (O−H). Wenn das Sauerstoffatom im Wasser jedoch mit SmI2 koordiniert wird gubt es sein einziges Elektronenpaar auf und seine O−H-Bindungen werden geschwächt. Dadurch wird resultierende Mischung zu einer ergiebigen Quelle für Wasserstoffatome, also für Protonen und Elektronen. Die Forschor um Yuya Ashida verwenden sie diese Mischung mit einem Molybdänkatalysator, um Stickstoff zu fixieren. SmI2-Wasser-Gemische also  für diese Art der Katalyse besonders geeignet. In ihnen wurde zuvor eine beträchtliche koordinationsinduzierte Bindungsschwächung gemessen, die unter anderem zur Herstellung von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen eingesetzt wurde.

Die Ausweitung dieser Idee auf die katalytische Ammoniaksynthese ist aus zwei Gründen bemerkenswert. Erstens wird durch den Molybdänkatalysator die Ammoniaksynthese in wässriger Lösung erleichtert. Das ist erstaunlich, weil Molybdänkomplexe in Wasser häufig abgebaut werden. Zweitens bietet die Verwendung einer koordinationsinduzierten Bindungsschwächung eine neue Methode zur Stickstofixierung bei normalen Umgebungstemperaturen und -drücken. Dadurch wird zusätzlich die Verwendung potenziell gefährlicher Kombinationen von Protonen- und Elektronenquellen vermieden. Solche Kombinationen können sich z.B. spontan entzünden. Der Ansatz der Autoren funktioniert auch, wenn Ethylenglykol (HOCH2CH2OH) anstelle von Wasser verwendet wird. So werden die in Frage kommenden Protonen- und Elektronenquellen um einen möglichen Vorläufer erweitert.

Ashida und Kollegen schlagen einen Katalysezyklus für ihr Verfahren vor, bei dem der Molybdänkatalysator zunächst an Stickstoff koordiniert und die N−N-Bindung unter Bildung eines Molybdännitrido-Komplexes spaltet. Dieser Molybdännitrido-Komplex enthält eine Molybdän-Stickstoff-Dreifachbindung.  Das SmI2-Wasser-Gemisch liefert dann Wasserstoffatome zu diesem Komplex, wodurch schließlich Ammoniak produziert wird. Die Bildung von N−H-Bindungen mithilfe von Molybdännitridokomplexen stellt eine erhebliche thermodynamische Herausforderung dar, da die N−H-Bindungen ebenfalls durch das Molybdän geschwächt werden. Dennoch werden die Nachteile durch die Reduktion des chemisches Überpotential ausgeglichen. Das SmI2 erleichtert nicht nur den Transfer von Wasserstoffatomen, sondern hält auch das Metall in reduzierter Form vor. So wird die ungewollte Bildung von Molybdänoxid in wässriger Lösung verhindert.

Das neue Verfahren muß noch erhebliche betriebliche Hürden nehmen, bevor es großtechnisch eingesetzt werden kann. So wird z.B. SmI2 in großen Mengen verwendet, was viel Abfall erzeugt. Die Abtrennung von Ammoniak aus wässrigen Lösungen ist energetisch aufwendig. Würde das Verfahren jedoch zur Energiespeicherung in Kombination mit unserer Methode der Rückgewinnung eingesetzt, entfiele die Abtrennung aus der wässrigen Lösung. Letztlich verbleibt immernoch ein chemisches Überpotential von etwa 600 kJ/mol. Zukünftige Forschungen sollten sich darauf konzentrieren, Alternativen zu SmI2 zu finden. Diese könnten z.B. auf Metallen basieren, die häufiger als Samarium vorkommen und ebenfalls die koordinationsbedingte Bindungsschwächung zu fördern. Wie schon bei Fritz Haber und Carl Bosch wird es wohl auch bei der neu entwickelten Methode noch einige Zeit dauern, bis ein industriereifes Verfahren zur Verfügung steht.

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Grönlandeis trägt zu 25% des Meeresspiegelanstiegs bei

Kürzlich berichteten wir über den Verlust der Schneedecke in Europa. Nicht nur in Europa gibt es weniger Schnee und Eis, auch Grönlands Eisdecke schmilzt. Der Eispanzer Grönlands trägt 25% zum globalen Meeresspiegelanstieg bei. Damit ist es größte Beitrag der Kryosphäre. Der erhöhte Massenverlust des Grönlandeises während des 21. Jahrhunderts ist hauptsächlich auf den erhöhten Oberflächenwasserabfluß zurückzuführen, von dem ~93% aus der relativ kleinen Ablationszone des Eisschildrands stammen (~22% der Eisfläche). Da die Schneedecke im Sommer schmilzt, wird in der Ablationszone nacktes Gletschereis freigelegt. Blankes Eis dunkler und weniger porös ist als Schnee. Es absorbiert mehr als doppelt so viel Sonnenstrahlung und hält weniger Schmelzwasser zurück. Glattes Eis erzeugt also einen großen Anteil (~78%) des gesamten Abflusses Grönlands ins Meer, obwohl im Sommer nur ein kleiner Bereich der Eisdecke exponiert ist. Die genaue Erfassung der reduzierten Albedo und des vollen Ausmaßes von nacktem Eis in Klimamodellen ist für die Bestimmung des gegenwärtigen und zukünftigen Abflußbeitrags Grönlands zum Meeresspiegelanstieg von hoher Bedeutung.

Der Massenverlust des grönländischen Eisschildes hat in letzter Zeit aufgrund der erhöhten Oberflächenschmelze und des Abflusses zugenommen. Da Schmelze durch Oberflächenalbedo kritisch beeinflußt wird, ist das Verständnis um die Prozesse und potentielle Rückkopplungen im Zusammenhang mit der Albedo eine Voraussetzung für die genaue Vorhersage des Massenverlusts. Die so verursachte Strahlungsvariabilität in der Ablationszone ließ die Eisschicht fünfmal schneller schmelzen als bei hydrologischen und biologischen Prozessen, die ebenfalls Eis verdunkeln. In einem wärmeren Klima üben die Schwankungen der Schneegrenzen aufgrund der flacheren höhergelegenen Eisschicht eine noch größere Kontrolle auf die Schmelze aus. Diese Schwankungen hatten zur Folge, daß die im Sommer 2012, dem Rekordjahr der Schneeschmelze, die kartierte Eisfläche sich über die größte gemessene Fläche von 300.050 km2 erstreckte. Das heißt, daß nacktes Eis 16% der Eisfläche ausmachte. Die kleinste Ausdehnung des nackten Eises war 184.660 km2 und wurde im Jahr 2006 beobachtet. Dies entsprach 10% der Eisfläche ausgesetzt, also fast 40% weniger Fläche als 2012. Die beobachtete Schneedecke schwankte jedoch sehr stark und er Beobachtungszeitraum war für eine Trendeinschätzung zu kurz.

Derzeitige Klimamodelle sind in ihren Vorhersagen für Hochwasserjahre jedoch zu ungenau, was zu einer Unsicherheit bei der Schätzung des Abflußbeitrags Grönlands zum Anstieg des globalen Meeresspiegels führt. Um die Faktoren zu verstehen, die das Schmelzen beeinflussen, haben Jonathan Ryan von der Brown University in Providence, Rhode Island seine Kollegen die grönländische Schneegrenze betrachtet. In Höhen unterhalb der Schneegrenze ist das dunklere Eis nicht vom Schnee bedeckt. Diese Schneegrenze wird während der Jahreszeiten Grönlands nach oben oder nach unten verschoben. Die Forscher haben diese Landschaften zwischen 2001 bis 2017 mithilfe von Satellitenbildern kartiert. Die durchschnittliche Höhe der Schneegrenze lag am Ende des Sommers 2009 zwischen 1.330 m und im Jahr 2012 bei 1.650 m. Die Schwankungen in der Schneegrenze sind der wichtigste Faktor, wenn es darum geht wie viel Sonnenenergie die Eisplatte absorbiert. Modellierer müssen diesen Effekt berücksichtigen, um ihre Vorhersagen zu verbessern. Das Wissen darum, wie viel und wie schnell das grönländische Eis schmilzt wird uns helfen, bessere Schutzmaßnahmen einzuleiten. Bei Frontis Energy denken wir, daß der beste Schutz vor einem Anstieg des Meeresspiegels die Vermeidung und das Recyclen von CO2 sind.

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