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Energiespeicherung in Europa

Netzintegration erneuerbarer Energien

In unserem vorherigen Beitrag dieser Blog-Reihe zum Thema Energiespeicherung in der EU haben wir Sie kurz mit verschiedenen Technologien und ihren Anwendungen vertraut gemacht. In diesem Beitrag geben wir Ihnen einen kurzen Überblick über das EU-Energienetz. Das Verbundnetz Europas ist das größte Verbundnetz der Welt und beliefert jährlich rund 2.500 TWh an 450 Millionen Kunden in 24 Ländern. Es besteht aus Übertragungsnetzbetreibern (ÜNB) aus 24 Ländern. Diese umfassen alle Staaten von Griechenland bis zur Iberische Halbinsel im Süden, sowie Dänemark und Polen im Norden und reichen bis zum Schwarzen Meer im Osten. Das Europäische Netz der Fernleitungsnetzbetreiber (engl. ENTSO-E) ist die zentrale Schaltstelle. Ihre Aufgabe ist es , die Zusammenarbeit zwischen den ÜNB der Mitgliedsländer des Netzes zu fördern. Das ENTSO-E fungiert daher im Wesentlichen als zentraler ÜNB für Europa. Eine gute Koordinierung ist notwenig, denn mit über 140 GW installierter Wind- und Solar-PV-Kapazität liegt die EU bei der installierten Kapazität nur hinter China zurück. Eine Aufschlüsselung der einzelnen Beiträge der EU-Mitgliedstaaten ist in der obigen Abbildung dargestellt.

Energiespeicherung in der EU

Für diesen Blog wurden mehrere europäische Länder ausgewählt, um den Bedarf an Energiespeichern genauer zu untersuchen. Maßgebend für die Zusammenstellung war dabei die Marktgröße, die Wachstumsabsichten für erneuerbare Energien, sowie die Energiespeicherung in innovativen Märkten im Energiesektor.

Gemessen an der Gesamtkapazität (installierte und geplante MW) sind die drei wichtigsten Energiespeichermärkte in der EU: Italien, Großbritannien und Deutschland. Diese Länder wurden auf der Grundlage ihrer bestehenden Marktgrößen ausgewählt.

Spanien und Dänemark wurden aufgrund ihrer großen Menge an vorhandenen Kapazitäten für erneuerbare Energien und − im Falle Dänemarks − des prognostizierten Wachstums der Kapazitäten für erneuerbare Energien und Energiespeicher ausgewählt.

Die Niederlande blieben in Bezug auf ihre Bemühungen zur Decarbonisierung immer noch hinter dem Rest der EU zurück und verfügten nur über einen kleinen Teil an erneuerbarer Energie. Sie wurden jedoch auch für weitere Untersuchungen ausgewählt.

Jedes der ausgewählten Länder (Deutschland, Vereinigtes Königreich, Italien, Spanien, Dänemark, Niederlande) wird in den folgenden Beiträgen erörtert, Dabei bietet wir einen detaillierten Überblick über ihre aktuellen Stromportfolios und Decarbonisierungsbemühungen, aktuelle Energiespeicherstatistiken und eine kurze Marktdiskussion Ausblick.

Pumpspeicherkraftwerke

Mit einer installierten Leistung von über 183 GW weltweit sind Pumpspeicherkraftwerke die ausgereifteste und am weitesten verbreitete Form der Energiespeicherung. Aufgrund der umfassenden Marktdurchdringung, der technologischen Reife und der Tatsache, daß dieser Blog auf die Entwicklung neuer Speichertechnologien abzielt, schließen betrachten wir diese Technologie in den folgenden Beiträgen nicht weiter.

(Jon Martin, 2019)

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Elektrische Energiespeicherung

Elektrischer Energiespeicherung (EES) ist der Prozess der Umwandlung elektrischer Energie aus einem Stromnetz in stabile Energieform, um sie bei Bedarf wieder in Elektrizität umwandeln zu können. EES ermöglicht die Stromerzeugung in Zeiten geringer Nachfrage, niedriger Erzeugungskosten oder während der Spitzenzeiten erneuerbarer Energieerzeugung. Auf diese Weise können Erzeuger und Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) die Unterschiede bei Angebot und Nachfrage im Hinblick auf die Erzeugungskosten wirksam nutzen und ausgleichen. In Zeiten hoher Nachfrage, hoher Erzeugungskosten und/oder geringer Erzeugungskapazität werden diese Faktoren durch gespeicherten Strom ausbalanciert.

EES hat viele Anwendungen, einschließlich Integration erneuerbarer Energien, Nebendienstleistungen und Stromnetzunterstützung. Diese Blog-Reihe soll dem Leser vier Aspekte von EES vermitteln:

  1. Ein Überblick über die Funktionen und Anwendungen von EES-Technologien,
  2. Aufschlüsselung der wichtigsten EES-Märkte in der EU nach dem neuesten Stand der Technik,
  3. Eine Diskussion über die Zukunft dieser EES-Märkte und
  4. Anwendungen, d.h Serviceanwendungen, von EES.

Tabelle: Einige gebräuchliche Dienstverwendungen von EES-Technologien

Speicherkategorie

Speichertechnologie

Wasserspeicher

Speicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke

Elektrochemische Speicher

Batterieen

(Redox)-Flußbatterien

Kondensatoren

Wärmespeicher

Salzschmelze

Wärmespeicher

Kältespeicher

Elektromechanische Speicher

Schwerkraft

Luftdruckspeicher

Schwungräder

Wasserstoffspeicher

Brennstoffzellen

H2-Speicher

Power-to-Gas

Im Gegensatz zu anderen Rohstoffmärkten verfügt die Stromindustrie in der Regel nur über geringe oder gar keine Speicherkapazitäten. Strom muss genau zum Zeitpunkt seiner Erzeugung verbraucht werden, wobei die Netzbetreiber Angebot und Nachfrage ständig in Einklang bringen. Mit einem ständig wachsenden Marktanteil von intermittierenden erneuerbaren Energiequellen wird dieser Balanceakt immer schwieriger.

Während EES bekannt für den Ausgleich von Versorgungsschwankungen, z.B. bei der Erzeugung erneuerbarer Energien, ist, gibt es viele andere Anwendungen. EES ist für den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Stromnetzes von entscheidender Bedeutung, da sie wichtige Zusatzdienste und -funktionen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Stromnetzes bereitstellt. ES ist in allen wichtigen Bereichen des Stromnetzes anwendbar (Erzeugung, Übertragung und Verteilung sowie Endnutzerdienste). Einige der am häufigsten genutzten Dienste sind in der obigen Tabelle aufgeführt. Weitere Erläuterungen zur Verwendung von Speicherdiensten werden später in diesem Blog bereitgestellt, einschließlich einer umfassenden Liste der EES-Anwendungen.

Gebiet

Dienstleistung

Entladedauer in h

Kapazität in MW

Beispiele

Bereitstellung

Großspeicher

4 – 6

1 – 500

Pumpspeicher,
CAES, Batterien

Notfallspeicher

1 – 2

1 – 500

Pumpspeicher,
CAES, Batterien

Schwarzstart

Keine
Angaben

Keine
Angaben

Batterien

Stabilisierung erneuerbarer Energie

2 – 4

1 – 500

Pumpspeicher,
CAES, Batterien

Übertragung
& Verteilung

Frequenz- und Spannungsstabilisierung

0,25 – 1

1 – 10

Schwungräder,
Kondensatoren

Übertragungsstabilisierung

2 – 5 Sek.

10 – 100

Schwungräder,
Kondensatoren

Vor-Ort-Versorgung

8 – 16

1,5 kW – 5 kW

Batterien

Bestandsschutz

3 – 6

0,25 – 5

Batterien

Endkundenservice

Energieverwaltung

4 – 6

1 kW – 1 MW

Hausspeicher

(Jon Martin, 2019)

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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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Möglichkeiten zur Energiespeicherung im EU-Markt

Elektrische Energiespeicher (EES) sind nicht nur wesentlicher Bestandteil für den zuverlässigen Betrieb moderner Stromnetze, sondern auch ein Schwerpunkt der globalen Energiewende. Energiespeicher sind die krtitische technologische Hürde bei der Einführung erneuerbarer Energie als alleinige Quelle der Stromversorgung. Hier werden ausgewählte Energiespeichermärkte in der EU bewertet. In den folgenden Blogbeiträgen werden diese detailliert beschrieben.

Deutschland ist mit über 80 MW installierter Wind- und Solarkapazität das absolut führende EU-Land in der Energiewende. Experten haben jedoch argumentiert, daß es unwahrscheinlich ist, den Gesamtbedarf Deutschlands an großtechnischen Energiespeichern in den nächsten 20 Jahren in nennenswerter Menge auszubauen. Dies ist auf eine Reihe von Faktoren zurückzuführen. Die geografische Lage Deutschlands und die zahlreichen Anschlüsse an benachbarte Stromnetze erleichtern den Export von Überschußstrom. Wenn Deutschland außerdem seine 2020-Ziele für Wind- und Solarkapazität (46 GW bzw. 52 GW) erreicht, würde das Angebot in der Regel 55 GW nicht überschreiten. Fast alles würde im Inland verbraucht und der Speicherbedarf wäre gering.

Bei der Bewertung der Energiespeicherung in Großbritannien stellt sich anders dar. Da es sich um einen isoliertes Inselstaat handelt, liegt der Schwerpunkt wesentlich stärker auf der Unabhängigkeit im Energiebereich. Dieses Bestreben ist nach Energieunabhängigkeit ist stärker, als das Ziel, einen kohlenstoffarmen Energiesektor aufzubauen. Die bestehende Gesetzgebung ist jedoch umständlich und birgt Hindernisse, die den Übergang zu einem kohlenstoffarmen Energiesektor − einschließlich Energiespeicherung − erheblich behindern. Die britische Regierung hat die Existenz gesetzgeberischer Hindernisse anerkannt und sich dazu verpflichtet, diese zu beseitigen. Im Rahmen dieser Bemühungen wird bereits eine Umstrukturierung ihres Strommarktes zu einem kapazitätsbasierten Markt durchgeführt. Die Aussichten für Energiespeicherung in Großbritannien sind vielversprechend, da nicht nur die Industrie, sondern auch die Öffentlichkeit und die Regierung erheblichen Druck ausüben, solche Anlagen in industriellem Maßstab weiterzuentwickeln. Der bevorstehende Brexit trübt diese Aussicht jedoch in merhfacher Hinsicht.

Italien, das einst stark von Wasserkraft abhängig war, bezieht derzeit 50% seines Stroms aus Erdgas, Kohle und Öl (34% Erdgas). Die Einführung einer Solar-FIT im Jahr 2005 führte zu einem deutlichen Wachstum in der Solarindustrie bevor das Programm im Juli 2014 endete. Italien belegt jetzt weltweit den 2. Platz bei der Pro-Kopf-Solarkapazität . In den letzten Jahren war ein deutlicher Anstieg der elektrochemischen Energiespeicherkapazität zu verzeichnen (>90 MW verfügbar). Dieser Anstieg wurde hauptsächlich von einzelnen TERNA Großprojekten angetrieben, TERNA ist Italiens Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB). Diese Kapazität hat Italien zum führenden Anbieter von Energiespeicherkapazitäten in der EU gemacht. Der Markt wird jedoch bislang von den großen ÜNB dominiert. Die Kombination aus Abhängigkeit von importiertem Erdgas und mehr als 500.000 Photovoltaikanlagen, die keine FIT-Prämien mehr erheben, sowie die Erhöhung der Stromtarife, machen Italien zu einem erfolgversprehcenden Markt für Power-to-Gas für Privathaushalte.

Dänemark verfolgt aggressiv ein zu 100% erneuerbares Energieziel für alle Sektoren bis zum Jahr 2050. Zwar gibt es noch keine offizielle Gesetzgebung. Die Richtung wurde jedoch im Wesentlichen auf eines von zwei Szenarien eingegrenzt: ein auf Biomasse basierendes Szenario oder ein Wind + Wasserstoff-basiertes Szenario. Unter dem wasserstoffbasierten Szenario wären weitreichende Investitionen in die Erweiterung der Windkapazität und in die Kopplung dieser Kapazität mit Wasserstoff-Power-to-Gas-Systemen zur Speicherung überschüssiger Energie erforderlich. Angesichts des dänischen Fachwissens und der damit verbundenen Investitionen in die Windenergie ist zu erwarten, daß das künftige dänische Energiesystem auf dieser Stärke aufbaut und daher erhebliche Power-to-Gas-Investitionen erfordert.

In Spanien stagnierte der Ausbau erneuerbarer Energien aufgrund rückwirkender Richtlinienänderungen und Steuern auf den Verbrauch von solarbetriebenem Strom, die 2015 eingeführt wurden. Die Umsetzung des Königlichen Dekrets 900/2015 über den Eigenverbrauch machte Photovoltaikanlagen unrentabel und führte zu zusätzlichen Gebühren und Steuern für die Nutzung von Energiespeichergeräten. Wir haben keinen Hinweis darauf gefunden, daß in naher Zukunft ein Markt für Energiespeicher in Spanien entstehen wird.

Das letzte untersuchte Land waren die Niederlande, die von der EU wegen mangelnder Fortschritte bei den Zielen für erneuerbare Energien kritisiert wurden. Da nur 10% des niederländischen Stroms aus erneuerbaren Quellen stammt, besteht derzeit nur eine geringe Nachfrage nach großtechnischen Energiespeichern. Während die Niederlande möglicherweise hinter den Zielen für erneuerbaren Strom zurückbleiben, waren sie führend bei der Einführung von Elektrofahrzeugen. Ein Trend, der sich bis 2025 fortsetzen wird. Es wird geschätzt, daß eine Million Elektrofahrzeuge auf niederländischen Straßen fahren werden. Parallel zum Anstieg der Elektrofahrzeuge gab es einen starken Anstieg von Li-Ionen-Anlagen mit einer Leistung von weniger als 100 kW zur Speicherung von Energie an Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Es wird erwartet, daß diese Anwendungen weiterhin im Fokus der Energiespeicherung in den Niederlanden stehen werden.

Ähnlich wie in Italien sind die Niederländer in ihren Häusern in hohem Maße auf Erdgas angewiesen. Diese Tatsache, gepaart mit einem immer stärkeren Bedarf an energieunabhängigen und -effizienten Häusern, könnte die Niederlande zu einem Hauptmarkt für Power-to-Gas-Technologien für Privathaushalte machen.

Mehr zu dem Thema EES können Sie hier lesen.

Jon Martin, 2019

(Foto: NASA)

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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.

(Foto: Wikipedia)

 

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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.

(Foto: Wikipedia)

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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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Solarenergie

Überraschenderweise ist Solarenergie tatsächlich einer Form der Kernenergie. Unsere Sonne setzt thermische Energie frei, die für das Leben auf der Erde essentiell ist. Diese thermische Energie ist das Ergebnis der Kernfusion des Wasserstoffs im Kern der Sonne. Wenn sich zwei Wasserstoffisotope vereinigen, geben sie ein Heliumatom, ein freiwerdendes Neutron und eine beträchtliche Menge an Strahlungsenergie ab. Während diese Lichtstrahlen zwischen 10.000 und 170.000 Jahren benötigen, um von ihrem Kern aus die Oberfläche der Sonne zu erreichen, benötigen sie nur etwa 8 Minuten, um die Erde zu erreichen, wo sie uns Licht und Wärme und Energie für Sonnenkollektoren liefern.

Solartechnologie wandelt Sonnenlicht in Elektrizität um, entweder direkt mit Photovoltaik (PV) oder indirekt mit Solarthermieanlagen.

Solarthermieanlagen verwenden Linsen oder Spiegel, um eine große Fläche von Sonnenlicht in einen kleinen Strahl zu fokussieren. Auf diese Weise wird die Sonnenergie gebündelt und in Wärme umgewandelt. Durch Hinzufügen einer Dampfturbine wird dieser sogenannte Solarthermie in elektrische Energie umgewandelt. Seit 2014 nutzt Spanien mit einer Gesamtkapazität von 2 GW die größten Solarthermieanlage weltweit.

Die Photovoltaik arbeitet unter Ausnutzung des photovoltaischen Effekts, der die Erzeugung von elektrischem Strom in einem photoelektrischen Material nach Belichtung bewirkt. Der photovoltaische Effekt steht in direktem Zusammenhang mit dem photoelektrischen Effekt, ist jedoch nicht mit diesem zu verwechseln. Der photoelektrische Effekt ist das Phänomen, dass Elektronen von einem gegebenen Metall freigesetzt werden, wenn das gegebene Metall Licht ausgesetzt wird. Die Photovoltaik wurde anfangs und auch heute noch genutzt, um kleine und mittelgroße Anwendungen zu betreiben, vom Taschenrechner mit einer einzigen Solarzelle bis hin zu netzfernen Häusern, die von einer Photovoltaikanlage angetrieben werden. Sie sind eine wichtige und relativ kostengünstige Quelle für elektrische Energie, z.B. wenn die Netzleistung unzureichend ist oder die Netzanbindung zu teuer bzw. nicht verfügbar ist.

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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.

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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