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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.

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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)

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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.

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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

 

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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)

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Gut leben und das Klima retten

In Paris hat sich die Menschheit das Ziel gesetzt, die globale Erwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen. Die meisten Menschen glauben, daß das durch erheblichen Einbußen bei unserer Lebensqualität erkauft werden muß. Das ist ein Grund, weshalb Klimaschutz von vielen Menschen geradeheraus abgelehnt wird. Bei Frontis Energy denken wir, daß wir das Klima schützen und gleichzeitig besser leben können. Aus gutem Grund, wie die neueste, in Nature Energy veröffentlichte, Studie einer Forschergruppe um Arnulf Grubler vom Internationalen Institut für angewandte Systemanalyse in Laxenburg, Österreich, jetzt gezeigt hat.

Die Gruppe untersuchte mithilfe von Computermodellen das Potenzial von technologischen Trends, den Energieverbrauch zu senken. Dabei gingen die Forscher unter andeem davon aus, daß die Nutzung von Car-Sharing-Diensten zunehmen wird und daß fossile Brennstoffe der Solarenergie und anderen Formen erneuerbarer Energie weichen werden. In einem solchen Szenario deutet ihr Modell darauf hin, daß der weltweite Energieverbrauch trotz Zunahme von Bevölkerung, Einkommen und Wirtschaftstätigkeit um etwa 40% sinken würde. Die Luftverschmutzung und die Nachfrage nach Biokraftstoffen würden ebenfalls sinken, was die Gesundheit und die Nahrungsmittelversorgung verbessern würde.

Im Gegensatz zu vielen früheren Einschätzungen legen die Ergebnisse der Gruppe nahe, daß Menschen den Temperaturanstieg auf 1,5 °C über dem vorindustriellen Niveau begrenzen können, ohne auf drastische Strategien zu setzen, um CO2 aus der Atmosphäre im späteren Verlauf dieses Jahrhunderts abzuziehen.

Nun kann man bezweifeln, daß der Umstieg auf Car-Sharing-Angebote tatsächlich keinen Einschnitt in der Lebensqualität bedeutet. Wir denken trotzdem, daß die individuelle Wahl der Fortbewegung gewahrt werden kann bei gleichzeitigem Klimaschutz. Die Rückgewinnung von CO2 zur Herstellung von Verbrennungkraftstoffen ist z.B. so eine Möglichkeit. Die Power-to-Gas-Technologie ist die fortschrittlichste Variante CO2-Recyclings und sollte in zukünftigen Studien sicherlich berücksichtigt werden. Ein Beispiel dafür ist die Bewertung der Power-to-Gas-Technologie durch eine schweizer Forschergruppe um Frédéric Meylan, die herausgefunden hat, daß die CO2-Bilanz mit herkömmlicher Technologie schon nach wenigen Zyklen ausgeglichen werden kann.

(Bild: Pieter Bruegel der Ältere, Das Schlaraffenland, Wikipedia)

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Eine Landkarte für Energie aus Abfall

Den meisten Lesern unseres Blogs ist bekannt, daß Abfälle leicht in nutzbare Energie umgewandelt werden können, z.B. in Biogasanlagen. Biogas, Biowasserstoff und Biodiesel sind Biokraftstoffe, weil sie biologisch durch Mirkoorganismen oder Pflanzen produziert werden. Anlagen, die Biokraftstoffe produzieren, sind weltweit in Betrieb. Allerdings weiß niemand wo genau sich diese Biokraftstoffanlagen befinden und wo sie am wirtschaftlichsten betrieben werden können. Diese Wissenslücke behindert den Marktzugang von Biokraftstoffproduzenten.

Wenigstens für die Vereinigten Staaten − den größten Markt für Biokraftstoffe − gibt es nun eine Landkarte. Eine Forscherguppe des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und des National Renewable Energy Laboratory (NREL) hat nun eine detaillierte Analyse des Potenzials für Energie aus Abfällen in den USA im Fachmagazin Renewable und Sustainable Energy Reviews veröffentlicht.

Dabei konzentriete sich die Gruppe auf flüssige Biokraftstoffe, die aus Klärschlämmen durch das Fischer-Tropsch-Verfahren gewonnen werden können. Das industrielle Verfahren wurde ursprünglich in Nazi-Deutschland zur Kohleverflüssigung eingesetzt, kann aber auch auf andere organische Materialien, wie z.B. Biomasse, angewendet werden. Das resultierende Öl ähnelt Erdöl, enthält aber auch geringe Mengen an Sauerstoff und Wasser. Dabei können Nährstoffe, wie Phosphat zurückgewonnen werden.

Die Forschergruppe koppelte die besten verfügbaren Informationen zu diesen organischen Abfällen aus einer bestehenden Datenbank mit Computermodellen, um die Mengen und die beste geografische Verteilung der potenziellen Produktion von flüssigen Biokraftstoff abzuschätzen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, daß die Vereinigten Staaten jährlich mehr als 20 Milliarden Liter flüssigen Biokraftstoff produzieren könnten.

Zudem fand die Gruppe heraus, daß das Potenzial für flüssigen Biokraftstoff aus Klärschlamm öffentlicher Kläranlagen 4 Milliarden Liter pro Jahr beträgt. Diese Ressource wurde im ganzen Land verbreitet gefunden − mit einer hohen Dichte an Standorten in den östlichen Vereinigten Staaten, sowie in den größten Städten. Tierdung hat ein Potenzial für 10 Milliarden Liter flüssigen Biokraftstoff pro Jahr. Besonders im Mittleren Westen befinden sich die größten unerschlossenen Ressourcen.

Das Potenzial für flüssigen Biokraftstoff aus Lebensmittelabfällen folgt ebenfalls der Bevölkerungsdichte. Für Ballungsräume wie Los Angeles, Seattle, Las Vegas, New York usw. wird geschätzt, daß deren Abfälle mehr als 3 Milliarden Liter pro Jahr produzieren könnte. Allerdings hatten Lebensmittelreste auch die niedrigste Umwandlungseffizienz. Dies ist auch die größte Kritik am Fischer-Tropsch-Verfahren. Anlagen zur Produktion von signifikanten Mengen Flüssigkraftstoff sind bedeutend größer, als herkömmliche Raffinerien, verbrauchen viel Energie und produzieren mehr CO2, als sie einsparen.

Bessere Verfahren zur Biomasseverflüssigung und eine effizientere Verwertung von Biomasse bleiben also nach wie vor eine Herausforderung für Industrie und Wissenschaft.

(Foto: Wikipedia)

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CO2 Netto und Brutto − photosynthetische Betriebswirtschaft mit Algen

Daß Algen nicht nur CO2 speichern, sondern auch freisetzen, ist manchen Interessierten sicherlich bekannt. Bis jetzt unbekannt war allerdings, daß Algen durch die Klimaerwärmung sogar zusätzliches CO2 freisetzen können. Das fanden jetzt der Algenforscher Chao Song und seine Kollegen von der University of Georgia in Athens, GA heraus.

Wie die Forscher im Fachblatt Nature Geoscience publizierten, beschleunigt sich der Stoffwechsel von Algen durch höhere Wassertemperaturen in großen Flüssen. Das könnte dazu führen, daß einige Flüsse mehr CO2 freisetzen als bisher, wodurch sich die Erderwärmung noch weiter beschleunigen könnte. Zwar würde sich auch die Photosyntheserate in Flußalgen erhöhen, doch Pflanzen an den Ufern der Flüsse wären noch schneller. Der mikrobielle Abbau des Pflanzenmaterials würde das so fixierte CO2 sofort wieder freisetzen. Das heißt, konkurrierende Mikroorganismen würden die Flußalgen überwachsen oder die Algen müßten ihren Stoffwechsel der Konkurrenz anpassen − was auch tun.

Um den Nettoeffekt solcher Veränderungen zu berechnen, überwachten die Wissenschaftler die Temperatur, den gelösten Sauerstoffgehalt und andere Parameter in weltweit 70 Flüssen. Dann benutzten sie die Daten für ihre Computermodelle. Diese Modelle deuten darauf hin, daß im Laufe der Zeit die steigenden Photosyntheseraten in einigen Flüssen nicht mit dem Pflanzenwachstum Schritt halten und zu einer Freisetzung von CO2 führen könnten. Diese Nettoerhöhung von 24% des aus Flüssen freigesetzten CO2 könnte im globalen Maßstab einen zusätzlichen Temperaturanstieg von 1 °C bedeuten.

Dem Computermodell fehlen allerdings noch einige Daten. So wurden z.B. die Sedimentierungsraten nicht mit in Betracht gezogen. Außerdem wachsen nicht an allen Ufern Pflanzen. Viele Flußläufe passieren nur spärlich bewachsenes Gebiet. Wie immer ist also mehr Forschung nötig, um bessere Antworten zu erhalten.

(Foto: Wikipedia)

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Wie decarbonisiert man die Atmosphäre schneller?

In der Wissenschaftsgemeinde ist eine hitzige Diskussion über den schnellsten Weg zur Decarbonisierung unserer Atmosphäre entbrannt. Der neueste Artikel von Lovins et al. (Rocky Mountain Insititute, Colorado, USA) soll belegen, daß erneuerbare Energie dies schneller erreicht, als Atomkraft. In der in Energy Research & Social Science publizierten Analyse belegen die Autoren dies in ihrer Untersuchung des Energiemarktes der letzten 17 Jahre. Der Artikel steht im Widerspruch zu zahlreichen anderen Artikeln, in denen Atomkraft als effektivere Methode zur Decarbonisierung genannt wird. So haben es zum Beispiel Cao et al. im Forschungsjournal Science berichtet.