Posted on

Wirtschaftliche Verluste in Europa durch klimawandelbedingte Hochwasser

In Europa stehen Überschwemmungen im Zusammenhang mit starken Schwankungen des Luftdrucks. Diese Schwankungen sind auch als Nordatlantische Oszillation bekannt. Stefan Zanardo und seine Kollegen von Risk Management Solutions in London in Großbritannien, analysierten historische Aufzeichnungen von schweren Überschwemmungen in Europa bis ins Jahr 1870.  Sie verglichen Muster des Atmosphärendrucks zum Zeitpunkt der Überschwemmungen. Wenn sich die Nordatlantische Oszillation im positiven Zustand befindet, treibt ein starkes Tiefdrucksystem in Island Wind und Sturm in ganz Nordeuropa an. Umgekehrt macht sie im negativen Zustand Südeuropa feuchter als sonst. Normalerweise treten Hochwasser in Nordeuropa auf. Sie verursachen den größten Schaden, wenn die Nordatlantische Oszillation im Winter positiv war. Zudem muss bereits ausreichend Regen gefallen sein, um den Boden mit Wasser zu sättigen. Die Luftdruckentwicklung in Europa kann sich mit dem künftigen Klimawandel ändern, und die öffentlichen Verwaltungen sollten dies bei der Bewertung des Hochwasserrisikos in einer Region berücksichtigen, so die Wissenschaftler.

Das ist wichtig, weil in Europa Hochwasser häufig für den Verlust von Menschenleben, für  erhebliche Sachschäden, Betriebsunterbrechungen verantwortlich sind. Durch die Klimaerwärmung wird sich diese Situation weiter verschlechtern. Die Risikoverteilung wird sich ebenfalls verändern. Das häufige Auftreten katastrophaler Hochwasserereignisse in den letzten Jahren hat ein starkes Interesse an diesem Problem sowohl im öffentlichen als auch im privaten Sektor ausgelöst. Im öffentlichen  Sektor wurde daran gearbeitet, Frühwarnsysteme zu verbessern. Diese Frühwarnsysteme haben in der Tat einen wirtschaftlichen Nutzen. Darüber hinaus wurden in den europäischen Ländern verschiedene Strategien zur Risikominimierung umgesetzt. Dazu zählen staatliche Eingriffe in den Hochwasserschutz, Massnamhen zur Erhöhung des Risikobewusstseins, sowie Risikotransfer durch eine bessere Verbreitung von Hochwasserversicherungen. Die Bekämpfung der Ursache, nämlich der globalen Erwärmung, hingt dagegen noch stark hinter den Erfordernissen hinterher.

Zusammenhänge zwischen großräumigen Klimamustern, insbesondere der Nordatlantischen Oszillation, und Extremereignissen im Wasserkreislauf auf dem europäischen Kontinent wurden seit langem bekannt. Wie sich dieser Zusammenhang auf wirtschaftliche Risiken durch Hochwasserverluste auswirkt, wurde jedoch noch untersucht. Die zunehmende Hochwasserbelastung und alarmierende Klimawandel-Szenarien sorgen für wachsende Besorgnis über zukünftige wirtschaftliche Verluste durch Hochwasser. Zwar is bekannt, dass klimatische Muster auch meteorologische Ereignisse steuern. Es ist aber nicht immer klar, ob sich diese Verbindung auf das Auftreten von Hochwasserereignissen und die damit verbundenen wirtschaftlichen Verluste auswirkt. In Ihrer Studie zeigen die Forscher, dass tatsächlich ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Nordatlantischen Oszillation und den Überschwemmungsverlusten besteht. Dazu verwendeten die Forscher aktuelle Daten aus Hochwasserdatenbanken sowie Katastrophenmodelle. Solche Modelle ermöglichen die Quantifizierung der wirtschaftlichen Verluste, die letztendlich durch die Nordatlantischen Oszillation verursacht werden. Diese Verluste variieren stark zwischen den Staaten der Nordatlantischen Oszillation.

Die Studie zeigt, dass die Nordatlantische Oszillation die durchschnittlichen Verluste auf lange Sicht gut vorhersagen kann. Auf der Grundlage der jüngsten Entwicklung der Vorhersagbarkeit der Nordatlantischen Oszillation argumentieren die Forscher, dass insbesondere die zeitlichen Schwankungen des Hochwasserrisikos, verursacht durch Klimaoszillationen, vorhergesagt werden können.  Das kann helfen, frühzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Dadurch können Schäden durch Hochwasser vermidnert werden. Während die Wissenschaftler ihre Vorhersagen für die Nordatlantischen Oszillation verbessern, wird die Gesellschaft sich besser auf zukünftige Überschwemmungen vorbereiten können.

(Foto: Wikipedia, Stefan Penninger, Schweden)

Posted on

Ammoniak als Energiespeicher #2

Kürzlich berichteten wir an dieser Stelle über Pläne australischer Unternehmer und ihrer Regierung, Ammoniak (NH3) als Energiespeicher für überschüssige Windenergie zu benutzen. Wir schlugen vor, Ammoniak und CO2 aus Abwasser in Methangas (CH4) umzuwandeln, da dieses stabiler und leichter zu transportieren ist. Das Verfahren folgt der chemischen Gleichung:

8 NH3 + 3 CO2 → 4 N2 + 3 CH4 + 6 H2O

Jetzt haben wir dazu einen wissenschaftlichen Artikel im Onlinemagazin Frontiers in Energy Research veröffentlicht. Darin zeigen wir zunächst, daß der Prozess thermodynamisch möglich ist, und zwar indem methanogene Mikroben den durch Elektrolyse gebildeten Wasserstoff (H2) aus dem Reaktiongleichgewicht entfernen. Dadurch nähern sich die Redoxpotentiale der oxidativen (N2/NH3) und der reduktiven Halbreaktionen (CO2/CH4) so weit an, daß der Prozess spontan ablaufen kann. Er benötigt nur noch einen Katalysator, der in Form von Mikroben aus dem Abwasser gewonnen wird.

Pourbaix-Diagramm der Ammoniumoxidation, Wasserstoffbildung und CO2-Reduktion. Ab pH 7 wird die an Methanogenese gekoppelte Ammoniumoxidation thermodynamisch möglich.

Dazu haben wir zunächst nach entsprechenden Mikroben gesucht. Für unsere Experimente in mikrobiellen Elektrolysezellen haben wir Mikroorganismen aus Sedimenten des Atlantischen Ozeans vor Namibia als Impfmaterial benutzt. Meeressedimente sind besonders geeignet, da diese vergleichsweise reich an Ammoniak, frei von Sauerstoff (O2) und relativ arm an organischem Kohlenstoff sind. Der Ausschluß von Sauerstoff is wichtig, da dieser normalerweise als Oxidationsmittel zur Entfernung von Ammoniak dient:

2 NH3+ + 3 O2 → 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O

Der Prozess ist auch als Nitrifikation bekannt und hätte eine Art elektrochemischen Kurzschluß bewirkt, da dabei die Elektronen vom Ammoniak direkt auf den Sauerstoff übertragen werden. Dadurch wäre die Anode (die positive Elektronen-akzeptierende Elektrode) umgangen worden und die Energie des Ammoniaks wäre dann im Wasser gespeichert. Die anodische Wasseroxidation verbraucht aber viel mehr Energie, als die Oxidation von Ammoniak. Zudem sind Edelmetalle zur Wasseroxidation notwendig. Ohne Sauerstoff an der Anode zu produzieren, konnten wir zeigen, daß die Oxidation von Ammonium (die gelöste Form des Ammoniaks) an die Produktion von Wasserstoff gekoppelt ist.

Oxidation von Ammonium zu Stickstoffgas ist gekoppelt an Wasserstoffproduktion in mikrobiellen Elektrolysereaktoren. Die angelegten Potentiale sind +550 mV bis +150 mV

Dabei war es wichtig, daß das elektrochemische Potential an der Anode negativer, als die +820 mV der Wasseroxidation waren. Zu diesem Zweck haben wir einen Potentiostat benutzt, der das elektrochemische Potential konstant zwischen +550 mV und +150 mV hielt. Bei all diesen Potentialen wurde an der Anode N2 und an der Kathode H2 produziert. Da die einzige Elektronenquelle in der Anodenkammer Ammonium war, konnten die Elektronen zur Wasserstoffproduktion also nur von der Ammoniumoxidation stammen. Zudem war Ammonium auch die einzige Stickstoffquelle für die Produktion von N2. Demzufolge ware die Prozesse also gekoppelt.

Im darauffolgenden Schritt wollten wir zeigen, daß dieser Prozess auch eine nützliche Anwendung hat. Stickstoffverbindungen kommen oft in Abwässern vor. Sie bestehen vorwiegend aus Ammonium. Es finden sich aber auch Medikamente und deren Abbauprodukte darunter. Gleichzeitig werden 1-2% der weltweit produzierten Energie im Haber-Bosch-Prozess verbraucht. Im Haber-Bosch-Prozess wird N2 der Luft entnommen, um Stickstoffdünger herzustellen. Weitere 3% unserer produzierten Energie werden dann verwendet, den so gewonnen Stickstoff wieder aus dem Abwasser zu entfernen. Diese sinnlose Energieverschwendung erzeugt 5% unserer Treibhausgase. Dabei könnte Abwasser sogar eine Energiequelle sein⁠. Tatsächlich wird ein kleiner Teil seiner Energie schon seit mehr als einem Jahrhundert als Biogas zurückgewonnen. Während der Biogasgewinnung wird organisches Material aus Klärschlamm durch mikrobiellen Gemeinschaften zersetzt und in Methan umgewandelt:

H3C−COO + H+ + H2O → CH4 + HCO3 + H+; ∆G°’ = −31 kJ/mol (CH4)

Die Reaktion erzeugt CO2 und Methan im Verhältnis von 1:1. Das CO2 im Biogas macht es nahazu wertlos. Folglich wird Biogas häufig abgeflammt. Die Entfernung von CO2 würde das Produkt enorm aufwerten und kann durch Auswaschen erreicht werden. Auch stärker reduzierte Kohlenstoffquellen können das Verhältnis vom CO2 zum CH4 verschieben. Dennoch bliebe CO2 im Biogas. Durch die Zugabe von Wasserstoff in Faultürme würde dieses Problem gelöst. Der Prozess wird als Biogasaufbereitung bezeichnet. Wasserstoff könnte durch Elektrolyse erzeugt werden:

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

Dafür wären aber, wie schon eingangs erläutert, teure Katalysatoren notwendig und der Energieverbrauch wäre höher. Der Grund ist, daß die Elektrolyse von Wasser in bei einer hohen Spannung von 1,23 V stattfindet. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, bestünde darin, das Wasser durch Ammonium zu ersetzen:

2 NH4+ → N2 + 2 H+ + 3 H2; ∆G°’ = +40 kJ/mol (H2)

Mit Ammonium erfolgt die Reaktion bei nur 136 mV wodurch man entsprechend viel Energie einsparen könnte. Mit geeigneten Katalysatoren könnte somit Ammonium als Reduktionsmittel für die Wasserstoffproduktion dienen. Mikroorganismen im Abwasser können solche Katalysatoren sein. Unter Auschluß von Sauerstoff werden Methanogene im Abwasser aktiv und verbrauchen den produzierten Wasserstoff:

4 H2 + HCO3 + H+ → CH4 + 3 H2O; ∆G°’ = –34 kJ/mol (H2)

Die methanogene Reaktion hält die Wasserstoffkonzentration so niedrig (üblicherweise unter 10 Pa), daß die Ammoniumoxidation spontan, also mit Energiegewinn abläuft:

8 NH4+ + 3 HCO3 → 4 N2 + 3 CH4 + 5 H+ + 9 H2O; ∆G°’ = −30 kJ/mol (CH4)

Genau dies ist die eingangs beschriebene Reaktion. Bioelektrische Methanogene wachsen an der Kathode und gehören zur Gattung Methanobacterium. Angehörige dieser Gattung sind besonders auf niedrige H2-Konzentrationen spezialisiert.

Der geringe Energiegewinn ist auf die geringe Potentialdifferenz von Eh = +33 mV der CO2-Reduktion gegenüber der Ammoniumoxidation zurückzuführen (siehe Pourbaix-Diagramm oben). Es reicht kaum aus, um die notwendige Energie von ∆G°’= +31 kJ/mol für die ADP-Phosphorylierung bereitzustellen. Darüber hinaus ist die Stickstoffbindungsenergie von Natur aus hoch, was starke Oxidationsmittel wie O2 (Nitrifikation) oder Nitrit (Anammox) erfordert.

Anstelle starker Oxidationsmittel kann eine Anode z.B. bei +500 mV die Aktivierungsenergie für die Ammoniumoxidation bereitgestellen. Allzu positive Redoxpotentiale treten jedoch in anaeroben Umgebungen natürlich nicht auf. Daher haben wir getestet ob die Ammoniumoxidation an die hydrogenotrophe Methanogenese gekoppelt werden kann, indem ein positives Elektrodenpotential ohne O2 angeboten wird. Tatsächlich konnten wir dies in unserem Artikel nachweisen und haben das Verfahren zum Patent angemeldet. Mit unserem Verfahren könnte man z.B. Ammonium profitabel aus Industrieabwässern entfernen. Er ist auch zur Energiespeicherung geeignet, wenn man z.B. Ammoniak mithilfe überschüssiger Windenergie synthetisiert.

Posted on

Leistungsfähigere bioelektrische Reaktoren durch Nanomaterialien

Seit Professor Potters Entdeckung der Fähigkeit von Mikroben, organische Moleküle mithilfe von mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ) elektrische Energie umzuwandeln (Potter MC, 1911, Proc Roy Soc Lond Ser B 84: 260–276), wurde viel Forschung betrieben um deren Leistung zu verbessern. Leider hat dies nicht zu einer wirtschaftlich sinnvollen Technologie geführt. MFCs schafften es nie aus den Klassenräumen heraus. Durch die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung von Nanomaterialien könnte sich das jetzt ändern.

Der Fokus der Entwicklung von Nanomaterialien in bioelektrischen Reaktoren lag gewöhnlich auf Elektroden, Membranen und den Elektrolyten mit deren nahezu unerschöpflichen Möglichkeiten, leistungsfähige Verbundstoffe herzustellen. Die Vorteile solcher Materialien sind ihre große Oberfläche, Kosteneinsparungen und Skalierbarkeit. All dies ist erforderlich, um bioelektrischen Reaktoren erfolgreich zu kommerzialisieren. Die großtechnische kommerzielle Anwendung könnte die Abwasserbehandlung sein. In unserer kürzlich veröffentlichten Literaturstudie haben wir herausgefunden, dass es keinen gemeinsamen Benchmark für Leistung gibt, wie er in der Photovoltaik oder bei Batterien üblich ist. Um unsere Ergebnisse zu normalisieren, verwendeten wir Dollar pro Peak-Leistungskapazität als (USD/Wp), wie es in der Photovoltaik Standard ist. Die durchschnittlichen Kosten für Luftkathoden von MBZ betragen 4.700 USD/Wp (2.800 USD/m²). Platin auf Kohlenstoff (Pt/C) und Kohlenstoffnanofasern sind mit 500 USD/Wp (Pt/C 2.800 USD/m²; Nanofasern 2.000 USD/m²) die besten Materialien.

Wir haben herausgefunden, daß kohlenstoffbasierte Nanomaterialien oft eine mit Pt/C vergleichbare Leistung liefern. Während MBZ noch weit davon entfernt sind, rentabel zu sein, sind bereits mikrobielle Elektrolysezellen bereits im Markt angekommen. Mit diesen neuen kohlenstoffbasierten Nanomaterialien rücken MBZ jedoch näher und werden zu einer wirtschaftlichen Realität. Graphen- und Kohlenstoffnanoröhrchen sind vielversprechende Materialien, wenn sie mit Mineralien wie Mangan- oder Eisenoxiden kombiniert werden. Der Preis für Graphen ist jedoch immer noch zu hoch, um MBZ in der Abwasserbehandlung zur wirtschaftlichen rentabel zu machen. Die Kosten für die mikrobielle Elektrolyse sind allerdings bereits so niedrig, dass sie eine ernstzunehmende Alternative zur herkömmlichen Abwasserbehandlung darstellen, wie wir im obigen Beitragsbild zeigen. Bei stark belastetem Abwasser könnte eine Aufbereitungsanlage tatsächlich zu einem Kraftwerk werden, dessen überschüssiger Strom am Markt verkauft werden kann. Die Kosten für die mikrobielle Elektrolyse werden durch die Kombination von billigem Stahl und Graphit reduziert.

Zusammenhang zwischen Reaktorkapazität und Gesamtelektrodenkosten einschließlich Anode und Kathode. Fehler sind Standardabweichungen von vier verschiedenen Rohrreaktorkonstruktionen. Anoden sind Graphitgranulate und Kathoden sind Stahlrohre

Graphit wiederum ist das Ausgangsmaterial für Graphen, einem vielversprechenden Stoff für MBZ-Elektroden. Wenn Graphitflocken auf wenige Graphenschichten reduziert werden, sind einige der technologisch wichtigsten Eigenschaften des Materials stark verbessert. Dazu gehören die Gesamtoberfläche und die Elastizät. Graphen ist also ein sehr dünner Graphit. Viele Hersteller von Graphen nutzen dies, um ein Material zu verkaufen, das in Wirklichkeit nur billiger Graphit ist. Im Fachmagazin Advanced Materials schreiben Kauling und Kollegen eine systematische Studie von Graphen von 60 Herstellern und stellen fest, daß viele hochpreisige Graphenprodukte hauptsächlich aus Graphitpulver bestehen. Die Studie ergab, daß weniger als 10% des Materials in den meisten Produkten aus Graphen bestand. Keines der getesteten Produkte enthielt mehr als 50% Graphen. Viele waren stark kontaminiert, höchstwahrscheinlich mit Chemikalien, die im Produktionsprozess verwendet wurden. Dies kann oft dazu führen, daß ein Material katalytische Eigenschaften hat, die ohne Verunreinigung nicht beobachten worden wären, wie z.B. die Materialforscher Wang und Pumera berichteten.

Es gibt viele Verfahren zur Herstellung von Graphen. Eines der einfachsten ist die Ablagerung auf einer Metallischen Oberfläche, wie wir es in unserer neuesten Publikation beschreiben:

Im Allgemeinen werden einschichtiges Graphen (ESG) und mehrlagiges Graphen (MLG) durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aus einem Kohlenstoffvorläufer (kohlenstoffhaltigen Gasen) auf katalytischen Metalloberflächen synthetisiert. In einem oberflächenvermittelten Gasphasenabscheidungsprozess kann der Kohlenstoffvorläufer, z. Isopropylalkohol (IPA) wird an der Metalloberfläche zersetzt, z. Cu oder Ni. Um die Anzahl der gebildeten Graphenschichten zu kontrollieren, muss die Löslichkeit des Kohlenstoffvorläufers auf der Metallkatalysatoroberfläche berücksichtigt werden. Aufgrund der geringen Löslichkeit des Vorläufers in Cu kann ESG gebildet werden. Es ist schwierig, ESG auf der Oberfläche eines Metalls mit einer hohen Affinität für den Vorläufer zu züchten.

Protokoll:
Das Protokoll ist eine wirtschaftliche, sichere und einfache Methode zur Synthese von MLG-Filmen durch Gasphasenabscheidung in 30–45 Minuten in einem Chemielabor. Eine Nickelfolie wird zum Ätzen in Essigsäure getaucht und anschließend in ein luftdichtes Quarzrohr überführt, das das System vor Umgebungssauerstoff und Wasserdampf schützt. Stickstoffgas wird durch IPA geblasen, und das resultierende IPA-gesättigte Gas wird durch das geschlossene System geleitet. Dabei werden die Abgase in einem Becher mit Wasser- oder Gaswaschflasche gewaschen. Der Strom wird 5 min lang mit einer Geschwindigkeit von ca. 50 cm3/min gespült. Sobald die Flamme eines Meker-Brenners 575–625 °C erreicht, wird sie unter der Nickelfolie positioniert, sodaß ausreichend Energie für die Bildung von Graphen zur Verfügung steht. Die Flamme wird nach 5–10 Minuten gelöscht, um die Reaktion zu stoppen und das System 5 min lang abzukühlen. Man erhält die mit Graphen beschichtete Ni-Folie.

Aber wie dünn müssen Graphitflocken sein, um sich als Graphen zu verhalten? Eine verbreitete Idee, die von der International Organization for Standardization (ISO) unterstützt wird, ist, daß Flocken mit mehr als zehn Graphenschichten im Wesentlichen aus Graphit bestehen. Die Thermodynamik gibt vor, daß sich jede Atomschicht in einer Flocke mit zehn oder weniger Schichten bei Raumtemperatur als einzelner Graphenkristall verhält. Darüber hinaus verstärkt sich die Steifheit der Graphitflocken mit der Schichtdicke, was bedeutet, daß dünne Graphenflocken um Größenordnungen elastischer sind als dickere Graphitflocken.

Um tatsächlich Graphen in bioelektrischen Reaktoren einsetzen zu können, muß man es leider immernoch selbst herstellen. Die Zutaten finden Sie in unserem Do-It-Yourself Shop.

Posted on

Bessere Wärmetauscher für Solarthermie

Solarthermieanlagen sind ein gutes Beispiel für den Teilchen-Welle-Dualismus der im Planckschen Wirkungsquantum h ausgedrückt wird: E = hf. Dabei is h die Planck-Konstante, f ist die Frequenz des Lichts und E ist die daraus resultierende Energie. Demnach ist also der Energieetrag umso höher, je höher die Frequenz der Lichtwellen ist. Solarthermische Metallkollektoren wandeln die Energie von hochfrequentem Licht um, indem eine Fülle von niederfrequentem Licht durch Compton-Verschiebungen erzeugen. Glas- oder Keramikbeschichtungen mit hoher Durchlässigkeit für sichtbares Licht und Licht im UV-Bereich fangen das vom Metall erzeugte das niederfrequente Licht auf, weil sie infrarotes Licht wirksam absorbieren (sogenannte Wärmeblocker). Nach dem Sammeln der Wärme verbessert sich der Wirkungsgrad der Solarthermieanlage mit zunehmender Größe erheblich. Darin liegt auch der größte Vorteil solcher Anlagen verglichen mit Photovoltaik. Ein Nachteil ist allerdings die nachgeordnete Verwandlung von Wärme in Elektrizität mithilfe von Turbinen und Wärmetauschern − ein Problem nicht nur in Solarthermieanlagen.

Zur Bereitstelung des heißen Gases (superkritisches CO2) sind Wärmetauscher notwending. Diese Wärmetauscher übertragen die von einem Kraftwerk erzeugte Wärmeenergie auf die Arbeitsflüssigkeit in einer Wärmekraftmaschine (meistens eine Dampfturbine), die Wärme in mechanische Energie umwandelt. Die mechanische Energie wiederum wird zur Stromerzeugung genutzt. Diese Wärmetauscher werde bei ~800 Kelvin betrieben und könnten jedoch effizienter sein, läge die Temperatur bei 1.000 Kelvin. Der gesamte Prozess der Umwandlung von Wärme in Elektrizität wird als Leistungszyklus bezeichnet. und ist ein kritischer Prozess in der Stromerzeugung durch Solarthermieanlgane. Den Wärmetauschern kommt dabei eine Schlüsselrolle zu.

Für Wärmetauscher wäre Keramik ein idealer Werkstoff weil er extreme Temperaturschwankungen aushalten kann. Anders als Metalle, ist Keramik aber nicht so einfach formbar. Relativ grobe Formen sind aber schnell und einfach gemacht. Metalle dagegen können leicht geformt werden und weisen eine hohe mechanische Belastbarkeit auf. Metalle und Keramiken werden schon seit Jahrhunderten für ihre charakteristischen Eigenschaften geschätzt. Zum Beispiel haben Bronze und Eisen eine gute Stoßfestigkeit und sind so formbar, daß sie zu komplexen Formen wie Waffen und Schlössern verarbeitet wurden. Keramiken, wie die zur Herstellung von Töpferwaren verwendeten Materialien, wurden zu einfachen Formen geformt. Ihre Beständigkeit gegen Hitze und Korrosion machte Keramik zu geschätzten Werkstoffen. Ein neuer Verbundwerkstoff aus Metall und Keramik kombiniert diese Eigenschaften auf erstaunliche Weise. Eine Forschergruppe um Mario Caccia berichtete nun im angesehen Fachmagazin Nature über ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff mit Eigenschaften, die es für Wärmetauscher in Solarthermieanlagen verwendbar macht.

Die Geschichte solcher Verbundwerkstoffe reicht bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts zurück. Das Aufkommen von Düsentriebwerken erzeugte einen Bedarf an Materialien, die eine hohe Beständigkeit gegen Hitze und Oxidation aufweisen. Zudem besaßen sie die Fähigkeit, schnelle Temperaturänderungen zu bewältigen. Ihre ausgezeichnete mechanische Festigkeit, die diese von vorhandenen Metallen oft übertraf, wurde von der neu entstanden Luftfahrtindustrie sehr geschätzt. Es wundert daher nicht, daß die US-Luftwaffe mehr Forschung zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundstoffen finanzierte. Das Wort „Cermet“ wurde geprägt. Cermets wurden seitdem für mehrere Anwendungen entwickelt, in den meisten Fällen wurden sie jedoch für kleine Teile oder Oberflächen verwendet. Der nun veröffentlichte Verbundstoff hält extremen Temperaturen, hohen Drücken und schnellen Temperaturwechseln stand. Er könnte den Wirkungsgrad von Wärmetauscher in Solarthermieanlagen um 20% erhöhen.

Um den Verbundwerkstoff herzustellen, produzierten die Autoren zunächst eine Vorstufe, die hernach einer weiteren Verarbeitung unterzogen wurde. Dieses Vorgehen läßt sich am besten mit dem Töpfern der ungebrannten Version eines Tontopfs vergleichen. Die Autoren verdichteten Wolframkarbid-Pulver in die ungefähre Form des gewünschten Gegenstandes (z.B. einen Wärmetauscher) und erhitzten es bei 1.400 °C für 2 Minuten, um die Teile miteinander zu verbinden. Sie bearbeiteten dann diese poröse Vorform weiter, um die gewünschte endgültige Form zu erzeugen.

Als nächstes erhitzten die Autoren die Vorform in einer chemisch reduzierenden Atmosphäre (ein Gemisch aus 4% Wasserstoff in Argon) bei 1.100 °C. Bei der selben Temperatur tauchten sie die Vorform in ein Becken mit flüssigem Zirkonium und Kupfer (Zr2Cu) ein. Schließlich wurde die Vorform durch Erhitzen auf 1.350 °C entfernt. Bei diesem Prozess verdrängt das Zirkonium das Wolfram aus dem Wolframkarbid, wodurch Zirkoniumkarbid (ZrC), sowie Wolfram und Kupfer erzeugt werden. Das flüssige Kupfer wird aus der ZrC-Matrix verdrängt, wenn sich das Material verfestigt, so dass das endgültige Objekt aus ungefähr 58% ZrC-Keramik und 36% Wolframmetall mit geringen Mengen an Wolframkarbid und Kupfer besteht. Das Schöne an der Methode ist, dass die poröse Vorform in einen nicht poröses ZrC / Wolfram-Verbundwerkstoff mit den gleichen Abmessungen umgewandelt wird. Dabei beträgt die Gesamtvolumenänderung etwa 1–2%.

Der elegante Herstellungsprozess wird durch die Robustheit des Endprodukts aufgewertet. Bei 800 °C leitet das ZrC / Wolfram-Cermet die Wärme 2 bis 3 Mal besser als Eisenlegierungen auf Nickelbasis. Solche Legierungen werden derzeit z.B. in Hochtemperatur-Wärmetauschern verwendet. Neben der verbesserten Wärmeleitfähigkeit ist zudem die mechanische Festigkeit des ZrC / Wolfram-Verbunds höher als die von Nickellegierungen. Die mechanischen Eigenschaften werden durch Temperaturen bis mindestens 800 °C nicht beeinflusst, selbst wenn das Meterial zuvor einer Erwärmung unterzogen wurde, z.B. bei Kühlzyklen zwischen Raumtemperatur und 800 °C. Im Gegensatz dazu verlieren Eisenlegierungen, wie z.B. rostfreie Stähle, und Nickellegierungen bei Temperaturen zwischen 500 °C und 800 °C mindestens 80% ihrer Festigkeit.

(Foto: Wikipedia)


Posted on

Eine haltbare Aluminium-Luft-Batterie

Nicht wiederaufladbare Batterien, die auf eine Reaktion zwischen Aluminium und Sauerstoff angewiesen sind, können mehr Energie als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus speichern. Die größte Einschränkung solcher Aluminium-Luft-Batterieen ist deren kurze Haltbarkeit. Ein besseres Batteriedesign könnte helfen, diese Einschränkung zu beseitigen. Aluminium-Luft-Batterieen basieren auf der Eigenschaft des Alumiums zu korrodieren, was auch genau deren Schwachstelle ist:

4 Al + 3 O2 + 6H2O → 4 Al(OH)3

Wenn eine Aluminium-Luft-Batterie nicht verwendet wird, korrodieren ihre Elektroden, wodurch eine unerwünschte elektrische Entladung verursacht wird. Diese Selbstentladung verkürzt die Lebensdauer der Batterie erheblich. Brandon Hopkins vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und seine Kollegen entwickelten eine Aluminium-Luft-Batterie, bei der während des Betriebs ein herkömmlicher Elektrolyt verwendet wird. Während der Lagerung jedoch, wird der Elektrolyt durch Öl ersetzt. Den Artikel veröffentlichten die Wissenschaftler im Fachblatt Science.

Die Batterie erreicht eine Speicherkapazität von fast 900 Wattstunden pro Kilogramm. Damit ist der Prototyp mit anderen Aluminium-Luft-Batterieen vergleichbar. Durch den Korrosionschutz erhöht sich die Lagerzeit allerdings um das 10.000-fache . Die Autoren schlagen vor, daß eine solche Batterie in Drohnen mit großer Reichweite und zur Stromerzeugung außerhalb des Stromnetzes verwendet werden könnte. Bei Frontis Energy denken wir, daß Batterieen mit hoher Speicherkapazität und Haltbarkeit fast überall eingesetzt werden können, so z.B. auch für Sensoren.

(Foto: George Hodan)

Posted on

Weiße Weihnacht in Europa?

Gefühlt kennen wir weiße Weihnachten nur noch aus Märchen. Jetzt gibt es auch einen wissenschaftlichen Beleg dafür, daß die Schneedecke in Europa im Winter immer dünner wird. Dank des Klimawandels nimmte diese immer rascher ab.

Die Forschergruppe um Dr. Fontrodona Bach vom Königlichen Niederländischen Meteorologischen Institut in De Bilt analysierte zu Schneebedeckungs- und Klimadaten aus sechs Jahrzehnten von tausenden Wetterstationen in ganz Europa. Die Forscher fanden heraus, daß die mittlere Schneehöhe mit Ausnahme einiger lokaler extrem kalter Stellen seit 1951 mit 12% pro Jahrzehnt zurückgegangen ist. Ihre Forschungsergebnisse publizierten die Wissenschaftler kürzlich im Fachblatt Geophysical Research Letters. Die Höhe der „extremen“ Schneedecke, die die lokale, Infrastruktur beeinträchtigt, ist etwas langsamer zurückgegangen.

Der beobachtete Rückgang, der sich nach den achtziger Jahren beschleunigte, ist das Ergebnis einer Kombination von steigenden Temperaturen und den Auswirkungen des Klimawandels auf den Niederschlag. Die abnehmende Schneedecke kann die Verfügbarkeit von Süßwasser während der Frühlingsschmelze verringern, stellten die Autoren fest.

(Foto: Doris Wulf)

Posted on

Skalierbarer Mehrkanalpotentiostat

Als treuer Leser wissen Sie bereits, daß wir an Power-to-Gas zur Bekämpfung der globalen Erwärmung arbeiten. Wir sind der Meinung, daß die Verwertung von CO2 einen Anreiz für dessen Recycling darstellt. Am besten funktioniert das, wenn aus CO2 ein Kraftstoff hergestellt wird, da Gas und Benzin das Fundament jeder Volkswirtschaft sind. Während der Preis für die Bindung von CO2 aus Luft immer noch zu hoch ist, um es in Verbrennungskraftstoff umzuwandeln, nähern wir uns dem Problem aus der anderen Richtung, nämlich der CO2-Verwertung. Durch wirtschaftliche CO2-Verwertung können wir die hohen Kosten der CO2-Bindung ein Stück weit ausgleichen. Wir haben jetzt einen wissenschaftlichen Artikel veröffentlicht, der zeigt, wie die Kosten für elektronische Geräte für die CO2-Umwandlung durch den Einsatz unserer Software reduziert werden können. Für Power-to-Gas sowie für die Elektrosynthese flüssiger Kraftstoffe ist es erforderlich, ein stabiles elektrochemisches Potenzial zu erzeugen. Das konnten bisher nur elektronische Potentiostaten. Wir haben eine Softwarelösung entwickelt, mit der preiswerte Standardgeräte gesteuert werden können, um dasselbe Ziel zu erreichen. Da die Software sowohl µA als auch MA steuert, ist sie frei skalierbar. Durch die Verwendung mehrerer Netzteile kann auch eine unbegrenzte Anzahl von Kanälen angeschlossen werden.

Frontcell©-Ensemble mit zwei Kanälen. Von links nach rechts: Digitales Multimeter (hinten), Relaisplatine (vorne), zwei H-Elektrolysezellen, Stromversorgung, Steuercomputer.

Wir testeten die Software in einem typischen Power-to-Gas Experiment bei −800 mV und stellten fest, daß das aufgezeichnete Potenzial über 10 Tage stabil war. Die kleinen elektrochemischen Zellen konnten auch durch einen größeren 7-Liter-Reaktor ersetzt werden, der häusliches Abwasser behandelte. Dieses Potenzial war ebenfalls stabil.

Das durch Frontcell© gesteuerte Potenzial von −800 mV war sowohl für 200 ml Elektrolysezellen (links) als auch für einen größeren 7 l-Reaktor (rechts) stabil.

Da die Instrumentensteuerung von billiger elektronischer Massenware macht auch die chemischen Prozess günstiger. Dadurch wird die mikrobielle Elektrolyse von Abwasser wirtschaftlich machbar. Die Entfernung von organischen Rückständen aus Abwässern erfolgt normalerweise bei positiven elektrochemischen Potentialen. Tatsächlich stabilisiert die Software solche Potenziale auch bei +300 mV.

Frontcell© stabilisierte 200 ml Elektrolysezellen zehn Tage lang bei +300 mV.

Die Software ist jetzt als Kommandozeilenversion verfügbar. Wir akzeptieren Vorbestellungen zu einem Preisnachlaß von 50% für die kommerzielle Version mit graphischer Benutzeroberfläche und Fernsteuerung über einen Internetbrowser.

Posted on

Ammoniak als Energiespeicher #1

Die alten, trockenen Landschaften Australiens sind nicht nur fruchtbarer Boden für riesige Wälder und Ackerflächen. Die Sonneneinstrahlung ist hier auch höher, als in jedem anderen Land. Starke Winde treffen auf die Süd- und Westküste. Alles in allem verfügt Australien über eine Kapaziatät an erneuerbare Energien von 25 Terawatt − eine der höchsten der Welt und etwa vier Mal so hoch wie die weltweit installierte Stromerzeugungskapazität. Die niedrige Bevölkerungsdichte erlaubt wenig Spielraum für Energiespeicherung und der Stromexport ist durch die isolierte Lage schwierig.

Bisher dachten wir, die billigste Variante, große Mengen Energie zu speichern, sei Power-to-Gas. Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, kohlenstoffreien Brennstoff herzustellen: Ammoniak. Stickstoffgas und Wasser reichen aus, um das Gas herzustellen. Durch die Umwandlung von erneuerbarer Elektrizität in das energiereiches Gas, das auch leicht gekühlt und zu einem flüssigen Brennstoff umgewandelt werden kann, wird ein leicht transportierbarer Träger für Wasserstoff gewonnen. Ammoniak oder Wasserstoff können dann in Brennstoffzellen genutzt werden.

Die Energiedichte von Ammoniak ist pro Volumen fast doppelt so hoch wie die von flüssigem Wasserstoff. Gleichzeitig kann Ammoniak einfacher und schneller transportiert oder gespeichert werden. Forscher auf der ganzen Welt verfolgen die gleiche Vision einer „Ammoniakwirtschaft“. In Australien, das seit langem Kohle und Erdgas exportiert, ist dies besonders wichtig. In diesem Jahr stellt Australiens Agentur für Erneuerbare Energie 20 Mio australische Dollar an Fördermitteln dafür bereit.

Letztes Jahr kündigte ein internationales Konsortium Pläne an, eine kombinierte Wind- und Solaranlage mit einem Volumen von 10 Milliarden US-Dollar zu bauen. Obwohl die meisten der 9 Terawatt des Projekts durch ein Unterwasserkabel fließen würden, könnte ein Teil dieser Energie zur Erzeugung von Ammoniak für den Langstreckentransport genutzt werden. Das Verfahren könnte den Haber-Bosch-Prozess ersetzen.

So eine Ammoniakfabrik ist eine Stadt aus Rohren und Tanks und wird meist dort gebaut, wo Erdgas verfügbar ist. In der westaustralischen Pilbara-Wüste, wo eisenhaltige Felsen und Ozean aufeinander treffen, befindet sich ebenfalls so eine Ammoniak-Stadt. Sie ist eine der größten und modernsten Ammoniakanlagen der Welt. Doch im Kern sind es immernoch die selben Stahlreaktoren, die nach dem jahrhundertealten Ammoniakrezept funktionieren.

Bis 1909 produzierten stickstoffixierende Bakterien den größten Teil des Ammoniaks auf der Erde. Im selben Jahr entdeckte der deutsche Wissenschaftler Fritz Haber eine Reaktion, die mithilfe von Eisenkatalysatoren (Magnetit) die starke chemische Bindung des Stickstoffs, (N2) aufspalten konnte und nachfolgend die Atome mit Wasserstoff zu Ammoniak verbindet. In den großen, schmalen Stahlreaktoren nimmt die Reaktion das 250-fache des atmosphärischen Drucks auf. Der Prozess wurde dann zuerst vom deutschen Chemiker Carl Bosch bei BASF industrialisiert. Der Prozess ist wurde im Laufe der Zeit immer effizienter. Etwa 60% der eingebrachten Energie werden in den Ammoniakbindungen gespeichert. Heute produziert und liefert eine einzelne Anlage bis zu 1 Mio Tonnen Ammoniak pro Jahr.

Das meiste wird als Dünger verwendet. Pflanzen brauchen Stickstoff, der beim Aufbau von Proteinen und DNA verwendet wird, und Ammoniak liefert es in einer biologisch verfügbaren Form. Es wird geschätzt, daß mindestens die Hälfte des Stickstoffs im menschlichen Körper heute synthetischer Ammoniak ist.

Haber-Bosch führte zur grünen Revolution, aber der Prozess ist alles andere als grün. Er benötigt Wasserstoffgas (H2), der von unter Druck stehendem, erhitztem Dampf aus Erdgas oder Kohle gewonnen wird. Kohlendioxid (CO2) bleibt zurück und macht etwa die Hälfte der Emissionen aus. Das zweite Ausgangsmaterial, N2, wird aus der Lusft gewonnen. Aber der Druck, der für die Verschmelzung von Wasserstoff und Stickstoff in den Reaktoren benötigt wird, ist energieintensiv, was wiederum mehr CO2 bedeutet. Die Emissionen summieren sich: Die weltweite Ammoniakproduktion verbraucht etwa 2% der Energie und produziert 1% unseres CO2-Ausstosses.

Unsere mikrobiellen Elektrolysereaktoren können den so gewonnen Ammoniak direkt in Methangas umwandeln − ohne den Umweg über Wasserstoff. Die Technologie befindet sich derzeit im Patentverfahren und ist besonders geeignet, um Ammoniak aus Abwasser zu entfernen. Mikroben, die im Abwasser leben, können den als Ammonium gelösten Ammoniak direkt oxidieren und die freiwerdenden Elektronen in einen Stromkreislauf einspeisen. Der Strom kann zwar direkt gewonnen werden, es ist aber ökonomischer, Methangas aus CO2 herzustellen. So wird ein Teil des CO2’s wieder in den Kohlenstoffkreislauf zurückgeführt und belastete Abwässer gereinigt:

NH3 + CO2 → N2 + CH4

 

Posted on

Kohlendioxid aus der Luft wird bald erschwinglich

Kohlendioxid (CO2) ist ein Abfallprodukt aus der Verbennung fossiler Energierohstoffe wie Öl, Gas und Kohle. Es ist nahezu wertlos weil es kaum Verwendung findet. Dennoch sind Technologien wie Power-to-Gas oder die Elektrosynthese von Methanol in der Lage, CO2 direkt als Rohstoff wieder in ein wertvolles, wenngleich billiges Produkt zu verwandeln. Damit steigt das kommerzielle Interesse an CO2 und letztendlich wird das Filtern aus der Luft wirtschaftlich interessant. Das heißt, das Filtern von CO2 aus der Luft ist mehr als eine teure Strategie zum Verhindern der globalen Erwärmung. Die Betonung liegt auf teuer. Denn jetzt wurde eine detaillierte wirtschaftliche Analyse im Fachmagazin Joule veröffentlicht, die nahe legt, daß diese Filtertechnologie bald eine rentable Realität werden könnte.

Die Studie wurde von Ingenieuren der kanadischen Firma Carbon Engineering in Calgary angefertigt. Seit 2015 betreibt die Firma eine Pilotanlage zur CO2−Extraktion in British Columbia. Diese Anlage − basierend auf einem Konzept namens Direct Air Capture (DAC) − bildete die Grundlage für die wirtschaftliche Analyse. Diese enthält die Kosten von kommerziellen Anbietern aller Hauptkomponenten. Abhängig von einer Vielzahl von Gestaltungsoptionenliegen die Kosten für das Extrahieren einer Tonne CO2 aus der Luft zwischen $94 und $232. Die letzte umfassende Analyse der Technologie, durchgeführt von der American Physical Society im Jahr 2011, schätzte, daß es $600 pro Tonne kosten würde.

Neben Carbon Engineering arbeitet auch Climeworks in Zürich an DAC. Dort hat die Firma eine kommerzielle Anlage eröffnet, die jedes Jahr 900 Tonnen CO2 aus der Atmosphäre für den Einsatz in Gewächshäusern auffangen kann. Climeworks hat auch eine zweite Anlage in Island eröffnet, die 50 Tonnen CO2 pro Jahr einfangen und in unterirdischen Basaltformationen vergraben kann. Laut Daniel Egger von Climeworks kostet das Einfangen einer Tonne CO2 in seinem Schweizer Werk etwa $600. Unternehmensvertreter erwarten, daß die Zahl in den nächsten fünf bis zehn Jahren unter $100 pro Tonne fallen wird.

Technisch wird CO2 in einer alkalische Lösung von Kaliumhydroxid gelöst, die mit CO2 reagiert, um Kaliumcarbonat zu bilden. Nach der Weiterverarbeitung wird dies zu einem festen Rückstand aus Calciumcarbonat, das bei Erhitzung das CO2 wieder freisetzt. Das CO2 könnte dann  unterirdisch entsorgt oder zur Herstellung von synthetischen, CO2-neutralen Treibstoffen verwenden werden. Carbon Engineering konnte die Kosten seiner Filteranganlage zu diesem Zweck auf $94 pro Tonne CO2 senken.

Sauberer Treibstoff aus atmospärischem CO2 und elektrolytischem Wasserstoff.

Geht man jedoch davon aus, daß CO2 im Gestein verpeßt würde, dann würde ein Preis von $100 pro Tonne etwa $0,0022 pro Liter zum Benzinpreis beitragen. Letztendlich hängt die Wirtschaftlichkeit der CO2-Extraktion von Faktoren ab, die sich je nach Standort unterscheiden, einschließlich des Preises für Energie und ob ein Unternehmen auf staatliche Subventionen zugreifen kann oder nicht. Aber die Kosten pro Tonne DAC-CO2 dürften in naher Zukunft immernoch über dem realen Marktpreis für CO2 liegen. Emissionszertifikate im Handelssystem der Europäischen Union werden beispielsweise für etwa 16 € pro Tonne CO2 gehandelt. Würde die CO2-Extraktionstechnologie in Märkten Fuß fassen, in denen das CO2 über Preis verkauft werden kann oder in ein Produkt wie Plastik bzw. Treibstoff umgewandelt wird, dann könnte DAC wirtschaftlich sein.

Bei Frontis Energy sind wir begeistert von dieser Aussicht, hilft uns DAC doch dabei, CO2 überall in Methangas umzuwandeln. Power-to-Gas ist dafür perfekt geeignet. Allerdings müßte da noch was Preis passieren. $100 pro Tonne sind zwar schon gut (verglichen mit $600), aber um ein Produkt wie Methan am Markt wirtschaftlich plazieren zu können, sind eher $10 pro Tonne notwending:

CO2-Wirtschaftlichkeit für Power-to-Gas mit elektrolytischem Wasserstoff. Cal, Kalifornien, EOR, enhanced oil recovery

Klar, wir haben immer was zu meckern, aber wir können es trotzdem kaum erwarten, zu sehen, wie der Preis für DAC weiter fällt und wünschen Carbon Engineering um Climeworks gutes Gelingen. Weiter so!

(Fotos: Carbon Engineering)

Posted on

Eine Graphenmembran als elektrischer Wasserhahn

Biologische Systeme können durch Kanäle in ihren Membranen den Wasserfluß steuern. Das hat viele Vorteile, wie z.B. wenn Zellen den osmotischen Druck regulieren müssen. Auch künstliche Systeme, z.B. in der Wasserbehandlung oder in elektrochemischen Zellen, könnten davon profitieren. Jetzt hat eine Gruppe von Materialforschern um Dr. Zhou an der Universität Manchester im Vereinigten Königreich eine Membran entwickelt, die den Wasserfluß elektrisch schalten kann.

Wie die Forscher im Fachmagazin Nature berichteten, wurde eine mehrschichtige Membran aus Silber, Graphen und Gold hergestellt, die bei einer Spannung von mehr als 2 V Kanäle öffnet, die Wasser fast ohne Behinderung durch die Membran durchleiten. Der Effekt ist reversibel. Dazu benutzten die Wissenschaftler die Eigenschaft von Graphen, einen einstellbaren Filter oder eine perfekte Barriere für Flüssigkeiten und Gasen zu bilden. Die Forscher haben dabei eine kostengünstige Form von Graphen (Graphenoxid) verwendet. Diese neue „intelligente“ Membranen haben gezeigt, daß sie eine präzise Steuerung des Wasserflusses durch Verwendung eines elektrischen Stroms möglich ist. Die Membranen können sogar verwendet werden, um den Wasserfluß bei Bedarf vollständig zu blockieren.

Zur Herstellung der Membran hat die Forschergruppe leitende Filamente in die elektrisch isolierende Graphenoxidmembran eingebettet. Ein elektrischer Strom, der durch diese Nanofilamente geleitet wurde, erzeugte ein starkes elektrisches Feld, das die Wassermoleküle ionisiert und somit den Wassertransport durch die Graphenkapillaren in der Membran steuert.

Bei Frontis Energy sind wir begeistert von dieser neuen Technologie und können uns schon viele Anwendungsgebiete vorstellen. Diese Forschung ermöglicht es, die Wasserpermeation von der ultraschnellen Durchdringung bis zur vollständigen Blockierung präzise zu steuern. Die Entwicklung intelligenter Membranen, die eine präzise und reversible Kontrolle der molekularen Durchdringung durch externe Stimuli ermöglichen, wäre für viele Bereiche der Wirtschaft und Forschung von großem Interesse. Diese Membranen könnten z.B. in Elektrolysezellen oder in der Medizin Anwendung finden. Künstlicher biologischer Systeme, wie z.B. Gewebetransplantate ermöglichen zahlreiche medizinische Anwendungen.

Das delikate Material bestehend aus Graphen, Gold und Silber ist zwar noch zu teuer und nicht so widerstandsfähig wie unsere Nafion™-Membranen, dafür kann man sie aber ein- und wieder ausschalten. Wir bleiben gespannt.

(Bild: Universität Manchester)