Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende [1. Aufl. 2019] 978-3-662-60687-2, 978-3-662-60688-9

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-VII
Einführung (Bernhard Adler)....Pages 1-1
Anfänge überregionaler Energieverbunde in Mitteldeutschland (Bernhard Adler)....Pages 3-5
Erzeugung und Leitung von Elektroenergie (Bernhard Adler)....Pages 7-30
Energiekonvertierungen (Bernhard Adler)....Pages 31-59
Energiespeicher (Bernhard Adler)....Pages 61-81
Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff (Bernhard Adler)....Pages 83-96
Klimaschutzaktivitäten (Bernhard Adler)....Pages 97-119
Klimaschutzabkommen (Bernhard Adler)....Pages 121-122
Back Matter ....Pages 123-143

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Bernhard Adler

Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende

Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende

Bernhard Adler

Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende

Bernhard Adler Halle (Saale), Deutschland

ISBN 978-3-662-60687-2 ISBN 978-3-662-60688-9  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-60688-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Planung/Lektorat: Stephanie Preuß Satz: Grit Zacharias Springer Spektrum ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Inhaltsverzeichnis 1 2 3

Einführung .............................................................................................. 1 Anfänge überregionaler Energieverbunde in Mitteldeutschland ............. 3 Erzeugung und Leitung von Elektroenergie ............................................. 7 3.1 Energieerzeugung aus fossilen Primärenergien .......................................... 8 3.2 Energieerzeugung aus regenerativen Quellen .......................................... 10 3.2.1 Wasserkraft als Primärenergie ...................................................... 10 3.2.2 On- und Offshore-Windparks ........................................................ 13 3.2.3 Biogasanlagen ................................................................................ 15 3.2.4 Elektrizität aus Photovoltaikanlagen ............................................. 17 3.2.5 Solarthermiekraftwerke ................................................................ 18 3.3 Elektroenergie aus Kernkraftwerken ......................................................... 19 3.4 Energietransportsysteme .......................................................................... 20 3.4.1 Das physikalische Modell der elektrischen Leitung ....................... 20 3.4.2 Elektrizitätsübertragung ................................................................ 23 3.4.3 Gaspipelines und Flüssiggasterminals ........................................... 25 3.5 Gesundheitliche Risiken bei Stromübertragung ........................................ 26 3.6 Energieerntefaktor .................................................................................... 28 4 Energiekonvertierungen ........................................................................ 31 4.1 Energiekonvertierungen in der Natur........................................................ 31 4.2 Übersicht zu technischen Konvertierungsprozessen ................................. 32 4.3 Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Erzeugung von Elektroenergie 33 4.4 Die Konvertierung von Elektroenergie in chemische Energie ................... 35 4.4.1 Elektrizität aus Akkus ..................................................................... 35 4.4.2 Brennstoffzellen............................................................................. 39 4.4.3 Elektrolyseur .................................................................................. 41 4.4.4 Reversible Brennstoffzelle ............................................................. 42 4.4.5 Hochtemperatur-Brennstoffzelle .................................................. 42 4.5 Konvertierung von E-Energie in chemische Produkte ............................... 43 4.6 Konvertierungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und E-Energie ................................................................................................... 45 4.6.1 Der Photovoltaikprozess ................................................................ 46 4.6.2 Photokatalytische Wasserspaltung ................................................ 49 4.6.3 Lumineszenzprozesse .................................................................... 49 4.7 Konvertierung von Wärme in Elektroenergie ............................................ 51 4.8 Konvertierung von elektrischer Energie in mechanische Energie ............. 53 4.8.1 E-Mobilität im Individualverkehr ................................................... 53 4.8.2 Schaffung einer Lade-Infrastruktur................................................ 54 4.8.3 Elektrisch betriebene Nutzfahrzeuge ............................................ 55 4.8.4 Wärmepumpen .............................................................................. 57

VI

5

Energiespeicher .....................................................................................61 5.1 Native Energiespeicher ............................................................................. 61 5.2 Technische Parameter von Kurz- und Langzeitspeichern ......................... 62 5.3 Mechanische Energiespeicher................................................................... 63 5.3.1 Pumpspeicherwerke...................................................................... 63 5.3.2 Kugelpumpspeicher ....................................................................... 64 5.3.3 Pumpspeicherwerk Gaildorf .......................................................... 64 5.3.4 Schwungradspeicher ..................................................................... 65 5.3.5 Druckluftspeicher .......................................................................... 67 5.4 Thermische Speicher ................................................................................. 67 5.4.1 Sensible Speicher .......................................................................... 70 5.4.1.1 Warmwasserspeicher ................................................................ 70 5.4.1.2 Wärme-Strom-Speicher ............................................................. 71

5.4.2 Latentwärmespeicher ................................................................... 71 5.5 Elektrochemische Energiespeicher ........................................................... 72 5.5.1 Batteriespeicher-Kraftwerke ......................................................... 72 5.5.2 Redox-Flow-Speicher..................................................................... 73 5.6 Chemische Energiespeicher ...................................................................... 75 5.6.1 Gasometerspeicher ....................................................................... 75 5.6.2 Feststoff-Wasserstoff-Speicher ..................................................... 75 5.6.3 Gaskavernenspeicher .................................................................... 76 5.6.4 Thermochemische Speicher .......................................................... 77 6 Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff.....................................83 6.1 Power-To-X-Systeme ................................................................................. 84 6.2 Sabatierkonvertierung .............................................................................. 86 6.3 Power-To-Liquid ........................................................................................ 88 6.3.1 Fischer-Tropsch-Hydrierungen ...................................................... 88 6.3.2 Hydrierung von CO/CO2 zu Methanol und synthetischem Dieselkraftstoff .............................................................................. 89 6.4 Synthesen von Ammoniak und Harnstoff ................................................. 91 6.5 Extraktionen mit Wasserstoff ................................................................... 92 6.6 Wasserstoffbasierte Konvertierungsmodelle............................................ 92 6.7 Sicherheitshinweise für den Umgang mit Wasserstoff ............................. 95 7 Klimaschutzaktivitäten ..........................................................................97 7.1 Klimagase .................................................................................................. 97 7.2 CO2-Zertifikatehandel und geplante CO2-Steuer ..................................... 100 7.3 CO2-Bilanzen ausgesuchter Industrieproduktionen ................................ 101 7.3.1 CO2-Emissionen aus Verbrennungskraftwerken ......................... 102 7.3.2 CO2-Bilanzen von Industrieprodukten ......................................... 102 7.4 Energieeinsparungen zur CO2-Reduzierung ............................................ 105 7.4.1 Einsparungen durch Technologieänderungen ............................ 105 7.4.1.1 Recycling von Kohlenstoff durch Pyrolyse ............................. 105 7.4.1.2 Recycling von P-haltigen Klärschlämmen .............................. 107 7.4.1.3 Veränderung der Rohstoffbasis für die chemische Industrie . 108

VII

7.4.2 Einsparung von Heizwärme .............................................................. 110 7.4.3 Einsparung von Beleuchtungsenergie .............................................. 112 7.4.4 Mobilitätswende .............................................................................. 113 7.4.5 Individuelle Energieeinsparpotenziale – der ökologische Fußabdruck....................................................................................... 115 7.5 Das Gesellschaftskonzept einer Recyclinggesellschaft ............................ 117 8 Klimaschutzabkommen ....................................................................... 121 8.1 Montrealabkommen ................................................................................ 121 8.2 Kyoto-Protokoll ........................................................................................ 121 8.3 Pariser Klimaschutzabkommen ............................................................... 121 8.4 Regelwerk Von Kattowitz ........................................................................ 122 9 Glossar ................................................................................................ 123 Verzeichnis der Wissenschaftler .................................................................... 137 Index ............................................................................................................ 141

1

Einführung

Um den CO2-Ausstoß deutlich zu senken, sieht das Strategiepapier zum Kohleausstieg die Einstellung der Kohleverstromung bis zum Jahre 2038 vor. Das bedeutet eine Wende von fossiler zu regenerativer Energieerzeugung. Zur Bewältigung dieser Umstellung benötigt man nicht nur neue Technologien zur Energieerzeugung, sondern auch Verfahren zur Energiespeicherung, da die Energiebereitstellung aus regenerativen Ressourcen diskontinuierlich erfolgt. Vor allem bei Windflauten und bewölktem Himmel, also in Perioden der sogenannten Dunkelstromflaute, muss gespeicherte Elektroenergie verfügbar sein. Alle Formen der Speicherung von E-Energie erfordern ihre Konvertierung in eine andere Energieform: z. B. in chemische oder mechanische, sowie zeitverzögert eine Rückverstromung. Aber auch die Erzeugung von Elektroenergie selbst stellt bereits einen Konvertierungsvorgang dar. Mechanische Energie wird in E-Energie, bzw. Strahlungsenergie der Sonne in E-Energie gewandelt. Alle genannten Prozesse sind mit Energieverlusten verbunden. Eine Teilmenge der erzeugten oder gespeicherten Energie wird ungewollt in Wärme verwandelt. Diese Verluste gering zu halten, ist ebenfalls Aufgabe der Energiewende. Deshalb bilden Energiekonvertierungen und -speicherungen die Hauptteile des vorliegenden Buches. Letztlich lassen sich durch die Umrüstung der Stromerzeugung aber nur etwa 1/3 der CO2-Emissionen reduzieren. Der größere Anteil der CO2-Emissionen kommt aus der Industrie, dem Verkehr oder dem Konsumverhalten jedes Einzelnen. Für diese Bereiche werden im Buch Vorschläge sowohl zur Technologieumrüstung, speziell in der Chemischen Industrie sowie im Verkehr erwähnt, als auch Energieeinsparung im Konsum skizziert. Beispiele zur Technologieumrüstung stellen die ausführlich dargestellten Power-to-X-Systeme dar. Sie bilden die zukünftige Basis für eine Chemieproduktion mit Wasserstoff. Bei der Energiereduzierung wird am Beispiel des ökologischen Fußabdruckes des Konsumenten dessen Energieverbrauch charakterisiert. Das Gesellschaftskonzept einer zukünftigen Recyclinggesellschaft wird dem derzeitigen Modell der Konsumgesellschaft gegenübergestellt. Die Kapitel 2 bis 5 besitzen Lehrbuchcharakter und sind speziell für Studierende der Fachrichtung Energiesysteme gedacht. Kapitel 6 bildet für den Energiefachmann eine Sammlung von Wasserstoffapplikationen. Die Kapitel 2, 7 und 8 sollen Politikern zeigen, dass allein mit Ge- und Verboten eine Energiewende nicht zu bewältigen ist, sondern Problemlösungen nur aus komplexem Fachwissen generierbar sind. Kapitel 9 stellt eine Lesehilfe für alle, also auch für Laien, die sich mit dem Thema Energiewende beschäftigen wollen, dar.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 B. Adler, Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60688-9_1

2

Anfänge überregionaler Energieverbunde in Mitteldeutschland

Am 21.5.1915 begann der Bau des ersten nicht industriegebundenen Kraftwerkes zur thermischen Stromerzeugung in Zschornewitz und bereits am 2.1.1916 erfolgte die kontinuierliche Belieferung des benachbarten Stickstoffwerkes in Piesteritz über eine 110kV-Freileitung. Damit waren die energetischen Voraussetzungen für die Aufnahme der Ammoniakproduktion zur Spengstoffherstellung über das Frank-Caro-Verfahren gegeben. Weitere Hochspannungsfreileitungen nach Berlin und Bitterfeld zur Energieversorgung der dortigen Aluminiumproduktionen erfolgen fast zeitgleich. Initiator und Organisator von Energieerzeugung und Verteilung war Dr. W. Rathenau, während des Ersten Weltkrieges im Preußischen Generalstab als Leiter der Kriegsrohstoffabteilung des kaiserlichen Heeres verantwortlich. Der Physiker Rathenau weiß, wie mit elektrischer Energie umzugehen ist. Bei Energiemangel werden in Piesteritz die elektrothermischen Carbidöfen im Dunkelstrombetrieb betrieben, nachts, bei Stromüberschuss unter Volllast gefahren. Die Turbinen in Zschornewitz arbeiten immer unter Volllast. Damit vermeidet man ein Hoch- und Runterfahren der Anlagen. Der Ausbau des Zschornewitzer Kraftwerkes zum Großkraftwerk vollzieht sich bis 1929 schrittweise auf eine Gesamtleistung von 431,5 MW (Abb. 2.1). Eine neue Turbine geht damals aber nur dann ans Netz, wenn der entsprechende Großverbrauch seine Produktion in den umliegenden Chemiewerken aufnehmen kann. Das heißt, die genannten elektrochemischen Verbraucher bilden letztlich die Energiepuffer für das erste Großkraftwerk in Mitteldeutschland.

Abb. 2.1: Kraftwerk Zschornewitz Flugbild Junkers 1929 [2.1]

Bereits im Jahre 1893 war es Rathenau gelungen, die Griesheim Elektron AG mit einer Chlor-Alkali-Elektrolyse in Bitterfeld anzusiedeln. Neben Chlor und Natronlauge entsteht bei der Elektrolyse auch Wasserstoff als Nebenprodukt. Der Wasserstoff, in Gaso-

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2 – Anfänge überregionaler Energieverbunde in Mitteldeutschland

metern gespeichert, dient damals als Hydrierwasserstoff, zum Befüllen der Zeppelinkartuschen, aber auch zur Herstellung künstlicher Edelsteine. Letztlich stellt die ChlorAlkali-Elektrolyse auch ein Verfahren zur Konvertierung von Elektroenergie in chemische Energie dar. Die Wasserstoffgasometer bilden die ersten Energiespeicher für die konvertierte Elektrizität. Mit dem Aufbau einer Hochspannungsfernleitung nach Bayern kommen ab 1924 mechanische Energiespeicher hinzu. Die bayrischen Pumpspeicherwerke lassen sich mit dem Überschuss an Elektroenergie vorteilhafter betreiben. Überschüssiger Strom wird in mechanische Energie konvertiert und bei Strombedarf wird die gespeicherte mechanische Energie wieder zurück in Elektroenergie gewandelt. Mit dem Aufbau des ersten thermischen Großkraftwerkes in Zschornewitz und seiner Anbindung an die elektrothermischen Großverbraucher der Region (Abb. 2.2 und Tab. 2.1) über die Fernleitungen sind alle technisch notwendigen Prozesse im Umgang mit der Elektroenergie realisiert: • • • •

die Energieerzeugung durch Verstromung der Braunkohle, die Energieableitung über die ersten 110-kV-Fernleitungen, die Pufferung durch die elektrothermischen Großverbraucher und die mechanische und chemische Speicherung nach entsprechender Konvertie rung.

Tab. 2.1: Energieversorgung in Mitteldeutschland Anfang des 20. Jahrhunderts

1

2 3

4

Prozess E-Erzeugung Verteilung Pufferung

Speicherung

Technik Dampfturbinen je 2 MW Leistung 110-kV-Fernleitungen Elektrothermische Verfahren

mechanisch chemisch

Beispiele

Umspannwerk Carbidofen Phosphorofen AlSchmelzflusselektrolyse bayrische Pumpspeicherwerke Wasserstoffspeicher

Ort Zschornewitz Marke bei Dessau Piesteritz Piesteritz Bitterfeld und Berlin

Walchensee Bitterfeld

Erwähnenswert scheint die Geschichte der ersten Elektrifizierung des Mitteldeutschen Industriegebietes aus zwei Gründen. Der Aufbau konnte in äußerst kurzer Zeit von nur vier Jahren realisiert werden. Die Leitung der Arbeiten erfolgte zentral durch eine kompetente Person, Herrn Rathenau. Er war der ausgewiesene Fachmann, der vor mehr als 100 Jahren erkannte, dass zur Stromerzeugung auch die Pufferung und Speicherung von E-Energie gehören.

5

Abb. 2.2: Mitteldeutsche Energieverbunde Anfang des 20. Jahrhunderts

Literatur [2.1] K. Nägler, G. Bergt: Anhalt Land zwischen Fläming und Harz. Fikentscher Verlag Leipzig (1930) S. 161

3

Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

Als Primärenergien zur Elektrizitätserzeugung dienen fossile und native Kohlenstoffträger, die Kernspaltung, die Wasserkraft oder die Wind- bzw. die Sonnenenergie. Die Verarbeitung in den entsprechenden Kraftwerken liefert im Falle der Verbrennungskraftwerke und KKW eine grundlastfähige Versorgung. Bei Wind- und Sonnenkraftwerken kann dagegen nur temporär eine Versorgung abgesichert werden. Auch Pumpspeicherwerke speisen meist nur stundenweise bei Spitzenlastzeiten Strom in das Netz. Wasserkraftwerke von großen Fließgewässern sind dagegen grundlastfähig. Tab. 3.1: Werke zur Elektrizitätserzeugung

Typ

Kraftwerk

Primärenergie

Bemerkung

1

2

3

4

1

Wärmekraftwerk

2

Wasserkraftwerk

3

KKW

4

Solarthermie

5

Windkraft

6

Photovoltaik

Kohlekraftwerke Gas- und GuDKraftwerke Laufwasserkraftwerke Gezeitenkraftwerk Pumpspeicherwerk Wellenkraftwerke Leichtwasserreaktor schneller Brüter Th-Reaktor Parabolspiegel / eutektische Salzmischung onshore offshore Halbleitermodule

fossiler C fossile oder native KW oder H2 bewegtes Wasser

grundlastfähig

grundlastfähig bedingt grundlastfähig

radioaktive Zerfalle von U oder Th

grundlastfähig

Sonnenenergie

bedingt grundlastfähig durch Wärmespeicher

Wind

nicht grundlastfähig

Sonnenenergie

nicht grundlastfähig

Die Stromerzeugung in Deutschland bestand im Jahre 2018 aus einem Energiemix von verschiedenen Primärenergien (Tab. 3.2). Dabei betrug der Anteil an EEnergieerzeugung durch Verbrennung von Braun- und Steinkole im Jahre 2018 in Deutschland ca. 38 % (Tab. 3.2, Zeilen 1 und 2). Er soll bis zum Jahre 2038 auf null zurückgefahren werden [3.2] Letztlich geht es bei diesem Verzicht der Kohleverstromung um ein drastisches Absenken der CO2-Emissionen entsprechend dem Pariser Abkommen [3.3]. Langfristig lassen sich die CO2-Emissionen nur durch den Aufbau von Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen bewältigen. In einer mehrjährigen Übergangsphase dienen Gaskraftwerke als Brückentechnologie. Gaskraftwerke erzeugen derzeit etwa 7 % der E-Energie (Tab. 3.2, Zeile 5). Der Stromanteil aus diesen Kraftwerken wird in © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 B. Adler, Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60688-9_3

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3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

den nächsten Jahren ansteigen, um den gleichzeitigen Ausstieg aus der Kernenergie kompensieren zu können. Allein die forcierte Nutzung von Wind- und Sonnenenergie reichen jedoch nicht, die Energiewende zu realisieren. Die genannten regenerativen Primärenergien sind im Prinzip nicht grundlastfähig. Deshalb müssen zusätzlich Energiespeicher mit einer Gesamtkapazität von mindestens 20 TWh installiert werden. Tab. 3.2: Erzeugung von E-Energie in Deutschland im Jahre 2018 [3.1]

Art der Erzeugung

Anteil in TWh

Anteil in %

1

Braunkohle

131,3

2

Steinkohle

75,7

14

3

Kernkraft

72,1

13,3

4

Erdgas/GuD

40

7,4

5

Wind

109,9

20,2

6

Wasserkraft

17

3,2

7

Biomasse

44,8

8,3

8

Photovoltaik

45,8

8,5

4,4

0,81

9

andere Energieträge (Öl, Hausmüll) 10

gesamt

11

davon regenerativ

3.1

24,1

541 217,5

40,2

Energieerzeugung aus fossilen Primärenergien

Die Elektrizitätserzeugung mit Kohle-, Öl- oder Gaskraftwerken basiert auf der Verbrennung fossiler Energieträger, speziell bei den Kohlekraftwerken auf der Verbrennung von Kohlenstoff zu CO2 gemäß Gl. 3.1: 𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 Gl. 3.1

Dabei werden pro Mol verbranntem Kohlenstoff, also auf 12 kg C, ca. 110 Wh Wärmeenergie freigesetzt, aber eben auch 44 kg CO2 emittiert. Über die Konvertierungskette: Turbine

Generator

𝑊ä𝑟𝑚𝑒 → 𝑚𝑒𝑐ℎ𝑎𝑛𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 → 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 entsteht aus der Wärmeenergie an der Turbine mechanische Energie, die den Generator zur Stromerzeugung in Bewegung setzt. Aber längst nicht alle Wärmeenergie kann in elektrische konvertiert werden. Bei Kohlekraftwerken beträgt der Wirkungsgrad je nach Kraftwerkstyp und -alter meist nur 35 – 40 % (Kap. 4). Moderne Gaskraftwerke besitzen

9

demgegenüber eine effizientere Wirkung von ca. 60 %. Doch der relativ geringe Wirkungsgrad der Kohlkraftwerke stellt nicht das eigentliche Problem bei der Kohleverstromung dar. Es besteht vielmehr in der Bildung des Klimagases CO2 gemäß Gl. 3.1. So erzeugt das Braunkohlekraftwerk Schkopau bestehend aus zwei Kraftwerksblöcken mit einer Nennleistung von 418,7 MW Block A bzw. mit 387,3 MW Block B 50 Hz Wechselstrom und zusätzlich 110 MW Bahnstrom mit 16,7 Hz. Die Feuerung besteht aus zwei Einheiten von je 1265 MW Leistung thermischer Energie. Dabei emittiert das Kraftwerk jährlich 5,57 Mio. t an CO2. 900 MW erzeugter elektrischer Leistung stehen also 2530 MW an verfeuerter Braunkohle gegenüber. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 40 %. Die Blöcke wurden 1995/96 in Betrieb genommen und ersetzen zwei alte Industriekraftwerke der ehemaligen Buna Werke. Die unmittelbare Nachbarschaft des Kraftwerkes zum Chemiestandort ist nicht zufällig gewählt. Es versorgt die dortigen Polymerisationen mit Prozessdampf und hoch reinem Wasser, sogenanntem Deionat, und erhöht dadurch seinen Wirkungsgrad. Tab. 3.3: Heiz- und Brennwerte von Brennstoffen [3.4]

Brennstoff

1 1

Rohbraunkohle Steinkohle 3 Benzin (ρ = 0,72–0,775) 4 Diesel (ρ = 0,82–0,845) 5 Methanol 6 Wasserstoff 7 Methan

Brennwert in MJ/kg 2

9,3–10

2

42,7–44,2 45,4 22,7 141,8 55,498

Heizwert in MJ/kg 3

8–9,3 25–32,7 40,1–41,8 42,6 19,9 119,972 50,073

Heizwert in kWh/kg 4

Heizwert in kWh/m3 5

2,2–2,6 7–9 11,1–11,6 11,8 5,5 2,995 9,968

Der Wirkungsgrad von Gaskraftwerken ist gegenüber der Verbrennung fossiler Feststoffe deutlich größer als Folge des wesentlich höheren Brenn- bzw. Heizwertes des CH4 (Tab. 3.3, Spalte 2). Günstiger bei dieser Verbrennung ist vor allem der niedrigere CO2Ausstoß durch die Bildung von Wasserdampf bei der Verbrennung: 𝐶𝐻4 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 Gl. 3.2

Aber auch die Wasserdampfbildung stellt die Emission eines Klimagases dar (Kap. 7.1), sodass die Substitution der Kohle- durch Gaskraftwerke nur als eine Übergangslösung angesehen werden muss. Nicht unbedingt muss die Stilllegung der Kohleverstromung eine totale Demontage eines Kraftwerkes bedeuten. Man kann die Dampferzeugung von Verbrennung fossiler Energieträger umstellen, indem Überschuss an Windenergie in Wärmeenergie umwandelt, sie speichert und diese bei Bedarf unter Nutzung des Turbinenparks des Kraftwer-

10

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

kes in E-Elektrizität zurückverwandelt. Im Hamburg ist ein solches Kraftwerk seit Mitte 2019 bereits im Betrieb, im Ruhrgebiet ein zweites geplant.

3.2

Energieerzeugung aus regenerativen Quellen

Die Verwendung regenerativer Energiequellen soll zukünftig die CO 2-Emissionen verringern. Ganz vermeidbar sind CO2-Emissionen bei der Energieerzeugung allerdings nicht, denn in die CO2-Bilanzierung geht nicht nur der Verbrauch an Primärenergie bei der Elektrizitätserzeugung, sondern auch jene Energie, die zum Bau bzw. Abbau des Equipments notwendig sind ein (Tab. 3.4, Spalte 3). Tab. 3.4: Wirkungsgrad und CO2-Emissionen [3.5]

Kraftwerkstyp 1 1

2

Wasserkraft Windparks 3 Photovoltaikanlagen 4 Solarthermie 5 Biogasanlagen zum Vergleich 6 Steinkohlekraftwerk 7 Braunkohlekraftwerk 8 GuD-Gaskraftwerk 9 KKW 2

Wirkungsgrad in % 90 50 > 15

CO2-Emission in g/kWh 3

40 (Equipment) 24 (Equipment) 101 (Equipment) 14 (Equipment)

40 < 46 < 44 > 60 35

949 1153 428

Man muss z. B. bei allen Betonbauten davon ausgehen, dass zu ihrer Errichtung eine sehr große Menge an CO2 freigesetzt wird, einmal in Form der notwendigen Energie für die Drehrohröfen bei der Zementproduktion, zum anderen durch die Freisetzung des CO 2 aus dem verwendeten Kalkstein. Immerhin gehen 10 % der CO2-Emissionen allein auf die weltweite Zementproduktion zurück.

3.2.1

Wasserkraft als Primärenergie

Die Kraft des Wassers diente bereits in der Antike den Menschen zur Erleichterung ihrer Arbeit. An und in Fließgewässern betrieb man mit der Strömung des Wassers Mühlen oder Schiffsmühlen. Zur Elektrizitätserzeugung wird auch heute noch die kinetische Energie der Wasserströmung in sogenannten Strömungskraftwerken genutzt (Tab. 3.5, Zeile 1). Die Kraftwerke arbeiten ohne Wehr oder Staumauern und stellen dadurch weder für Fische noch für die Schifffahrt Hindernisse dar. Ihre Energieausbeute ist allerdings gering.

11

Tab. 3.5: Typen von Wasserkraftwerken

Kraftwerkstyp

Beispiele

1

Strömung

Stromboje Rheiberg

2

Laufwasser

3

Speicher

4

Pumpspeicher Kavernen

Hengstei bei Herdecke 3-Schluchtendamm Itaipu Kransnojarsk Bratsk Eisernes Tor I Limth-Limmern Markersbach

5

E-Energie in 104 MW 1,12 10-3

Rhein

3,3 10-4

Ruhr

4 1,4 0,6 0,4 0,26 0,1 0,1

Fluss

Jangtsekiang Rio Parana Jenissei Angara Donau

Bemerkung ohne Staustufe mit Wehr mit Staumauer

In Laufwasserkraftwerken hält ein Wehr den Wasserstand zwischen Zu- und Abfluss auf konstanter Höhe. Eine Wasserspeicherung findet aber erst in den Speicherkraftwerken mit Staumauern statt. Kraftwerke dieses Typs erzeugen weltweit sehr hohe Leistungen (Tab. 3.5, Spalte 2), verbrauchen jedoch auch viel Fläche für die Stauseen. Es ist nicht verwunderlich, dass gleich drei große Speicherkraftwerke mit Leistungen von 4 bis 6 103 MW an den sibirischen Füssen Angara und Jenissei existieren und Tausende Quadratkilometer Land unter Wasser setzen. Aber dort wohnt eben kaum jemand. Im Allgemeinen stellt der Bau und Betrieb von Speicherkraftwerken jedoch stets einen hohen Eingriff in die Natur dar. In Pumpspeicherkraftwerken pumpt man bei Energieüberschuss Wasser aus einem Unter- in ein Oberbecken. Bei Energiebedarf erfolgt der Ablauf in das Unterbecken (Tab. 3.5, Zeile 4). In Kavernenkraftwerken befinden sich die Kraftwerksanlagen im Berg, um einen entsprechenden Höhenunterschied zwischen Zu- und Abfluss zu organisieren (Tab. 3.5, Zeile 5). Dieser Typ erweckt zunehmendes Interesse, aufgelassene Bergwerke zur Energiespeicherung zu nutzen. Der Gedanke, Kraftwerke in Bergwerken zu installieren, wurde in Deutschland bereits im Jahre 1912 bzw. 1922 im ehemaligen Silberbergwerk der Grube Samson in St. Andreasberg durch die Harzer Energieversorgung Osterode verwirklicht. Zwei Kraftwerke befinden sich unter Tage und nutzen das Wasser des Oberharzer Wasserregals. Es wird bei etwa 800 m Höhe in den Berg geführt und kommt 400 m tiefer bei Osterode wieder aus dem Berg. Man verfügt über reichlich Wasser und eine genügend große Fallhöhe. In Kombination mit Windkraftanlagen könnte man auch in anderen ehemaligen Bergwerken Pumpspeicherwerke errichten. So ist in der letzten deutschen Steinkohlengrube Prosper-Haniel in Bottrop, seine Stilllegung erfolgte 21.12.2018, eine Umrüstung zu einem Kavernenkraftwerk [3.28] geplant. Die Fallhöhe würde 600 m betragen, das Speichervolumen 6*105 m3. Das Pumpspeicherwerk könnte über 4 h 200 MW Leistung erzeugen bzw. eine Kapazität von 800 MWh besitzen. Zum Vergleich liefert das größte deutsche Pumpspeicherwerk bei Goldisthal in Thüringen 1060 MW und besitzt eine Kapazität von 8,4 GWh. Für die Überbrückung von einer Woche Dunkelstromflaute werden allerdings etwa 9 TWh an Kapazität benötigen.

12

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

Die Kapazität der Speicherkraftwerke hängt von der verfügbaren Wassermenge ab, ihre Leistung ergibt sich aus der Fallhöhe. Es gilt: 𝑃 = 𝑀∗ℎ∗𝑐 Gl. 3.3

mit: P Leistung in kW, M Wasserdurchfluss in m3/s, c Konstante aus Wirkungsgrad, Erdbeschleunigung in 9,81 m/s2 und Dichte in kg/m3. Tab. 3.6: Elektrizität aus Wasserkrafterzeugung

Land Norwegen Brasilien Österreich Schweiz Deutschland

Leistung in TW 141 (2008) 465,4 (2016) 36 39,8 4,7

Anteil an der Stromerzeugung in % ca. 100 80 55 60 3,1

Weltweit wurden im Jahre 2016 durch Laufwasserkraftwerke 4100 TWh, das entsprach 16,6 % des Weltbedarfes an Elektrizität, erzeugt. Länder mit einem hohen Anteil an Wasserkraftwerken sind in Europa Norwegen, Österreich und die Schweiz (Tab. 3.6). Diese Länder verfügen wetterbedingt über große Niederschlagsmengen, zum anderen über hoch gelegene Bergtäler zur Wasserspeicherung. In Deutschland waren dagegen im Jahre 2016 zur Stromerzeugung lediglich 4,7 GW Leistung an Wasserkraftwerken installiert und ein wesentlicher Leistungszuwachs sowohl von Laufwasser- als auch Pumpspeicherkraftwerken ist topologiebedingt kaum zu erwarten. Das erste deutsche Laufwasserkraftwerk ging am 15.5.1890 in Bad Reichenhall ans Netz. Eine spezielle Form der Elektrizitätsgewinnung aus Wasserkraft stellen die Gezeitenund Wellenkraftwerke dar. Sie nutzen die Wasserbewegungen der Meere, entweder in Form des Tidenhubes oder der Wellenbewegungen. An Meeresküsten mit einem Tidenhub > 5 m kann man durch Gezeitenkraftwerke elektrischen Strom ökonomisch gewinnen. Die Effizienz dieser Stromerzeugung ergibt sich letztlich wiederum aus der Fallhöhe gemäß Gl. 3.3. Diese Kraftwerke liefern in Abhängigkeit des Tidenhubes und der Gezeiten diskontinuierlich Strom [3.6]. Das erste Gezeitenkraftwerk wurde in Frankreich an der Rancemündung bereits 1966 in Betrieb genommen. Es besteht aus einem Staudamm mit 24 Öffnungen und ebenso vielen Turbinen mit je 10 MW Leistung. Der Tidenhub an der Rancemündung liegt mit 12 bis 16 m besonders hoch und damit günstig für die Energiegewinnung.

13

Tab. 3.7: Gezeitenkraftwerke

Kraftwerk Usine more‘motrice de la Rance Shiwa-ho Annapolis

Leistung in MW 240

Land Frankreich

Jahr der Inbetriebnahme 1966

254 20

Südkorea Kanada

2011 1984

Eine weitere potenzielle Energiequelle der Meere könnten sogenannte Wellenkraftwerke werden (Abb. 3.1). Diese Kraftwerke nutzen die mechanische Energie einer kontinuierlichen Wellenbewegung. An ozeanischen Küstenlinien wird das energetische Potenzial auf 30 kW pro Meter Küstenlinie geschätzt, an ausgesuchten Stellen im Nordostatlantik, z. B. an der schottischen Küste oder Nordostpazifik sogar auf 100 kW/m. Küstenlinien von Randmeeren besitzen dagegen nur ein vergleichsweise niedriges Potenzial von 1/10 ozeanischer Küsten. Für die technische Umsetzung gibt es verschiedene Lösungsansätze, zum einen das Prinzip der schwingenden Wassersäule, zum anderen teppichartig über Gelenkkörper miteinander verbundene Schwimmkörper. Während die Methode der schwingenden Wassersäule technisch umgesetzt an der schottischen Küste der Insel Islay seit 2001 Strom, aber viel geringer als berechnet, liefert, mussten die Schwimmkörper vor der portugiesischen Küste wegen technischer Schwierigkeiten wieder stillgelegt werden. Beide technischen Varianten sind als noch nicht ausgereift zu bewerten.

Abb. 3.1: Wellenkraftwerk mit pneumatischer Kammer [3.7]

3.2.2

On- und Offshore-Windparks

Windparks, mitunter auch als Windfarmen bezeichnet, werden im Binnenland als Onshore- oder auf dem Festlandsockel der Meere als Offshore-Anlagen betrieben. Von einem Park spricht man, wenn drei oder mehr Windräder an einem Standort Strom aus Windenergie erzeugen. Die Verlagerung der Windkraftanlagen auf die Meere ist eine Folge landschaftsästhetischer Überlegungen [3.8, 3.9]. Die „Verspargelung“ der Landschaft trifft nicht immer auf Zustimmung bei der Bevölkerung und ist doch durch den Ausstieg aus der Kohleverstromung unumgänglich. Die Offshore-Winderzeugung besitzt aber

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3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

auch einen aerodynamischen Vorteil. Die Windenergie wird an Land mit rauer Oberflächenstruktur stärker als auf See gebremst. Die Energieerzeugung aus Wind erfolgt fast emissionslos, denn bei der Stromerzeugung entsteht kein CO2 und die Herstellung des technischen Equipments wie Generatoren, Rotorblätter, Turm und Aufbau der Anlagen ist gegenüber allen anderen Energieerzeugern mit einem Minimum an CO 2-Emissionen verbunden (Tab. 3.4). Die Leistung eines Windrades ist eine Funktion des Flügelraddurchmessers. Primär hängt die Leistungsdichte w von der Windgeschwindigkeit v und der Luftdichte ρLuft ab: 𝑤 ∗ 𝑣 = 𝑣 3 ∗ 𝜌𝐿𝑢𝑓𝑡 2

Gl. 3.4

Bei einer Windgeschwindigkeit von v = 10 m/s ergibt sich eine Leistungsdichte von w = 600 W/m2, die durch die Windradflügel bei optimalem Betrieb zu 1/3 eingefangen werden kann. Größere Flügel verlangen höhere Türme. Für ein 3-MW-Windrad beträgt die Nabenhöhe z. B. 105 m. Moderne Windräder produzieren die kWh Strom für 4 Cent und damit billiger als ein Gaskraftwerk. Windgeneratoren mit Elektrospulen lassen sich bis zu einer Leistung von maximal 6 bis 7 MW bauen. Bei größeren Generatoren aus Elektrospulen und Getrieben wird die Statik des Bauwerkes durch die großen Massen von Getriebe und Generator nicht mehr beherrscht. Verwendet man aber Permanentmagnete aus SE-Metall-Legierungen, z. B. die Dy-dotierte Legierung von Nd2Fe14B mit der sehr hohen Remanenz von 1,4 T, entfallen die Getriebe [3.10]. Solche Windräder besitzen getriebelose, luftschlitzgelagerte Antriebe. Die Kraft der Permanentmagneten ist so hoch, dass selbst die nicht unerhebliche Masse des Rotors und der Rotorblätter durch das Magnetfeld in Schwebe gehalten wird. Diese PMG besitzen darüber hinaus die Vorteile, höhere Feldstärken zu erzeugen und keinen Strom zum Magnetfeldaufbau zu brauchen. Dass die VR China (Tab. 3.8) weltweit in der Installation von Windkraftanlagen führend ist, resultiert aus dem konsequenten Einsatz von Hochleistungspermanentmagneten aus SE-Metallen. So lag die installierte Leistung von Windkraftanlagen in der VR China im Jahre 2009 bereits bei 7,8 GW. Demgegenüber waren im gleichen Zeitraum in Deutschland nur 660 MW Gesamtleistung installiert. Zum Vergleich erzeugte der Offshore-Windpark Baltik1 vor Darß in der Ostsee im Jahre 2011 lediglich 48 MW. Sein Ausbau ist auf 628 MW geplant. Ein weiterer Offshore-Windpark in der Ostsee existiert seit April 2019 nordöstlich der Insel Rügen. Der Windpark erzeugt auf einer Fläche von 37 km2 eine Leistung von 485 MW. Erwähnenswert bei diesem Windpark sind zwei Aspekte: Einerseits seine sehr kurze Bauzeit von weniger als zwei Jahren, andererseits seine Energiedichte. Würde man z. B. die im Jahre 2018 durch Verbrennung von Braun- und Steinkohle gewonnene Strommenge von 23.63 GW vollständig durch Windenergie erzeugen wollen, wäre mit den Vergleichszahlen vom Windpark Arkona eine 2306 km2 große Windparkfläche notwendig. Die gesamte Fläche der Mecklenburger Bucht von der Insel Fehmarn bis zur Halbinsel Darß beträgt nur 3500 km2. Man muss drei Fahrrinnen zu den Häfen Travemünde, Wismar und Warnemünde zudem freihalten. Damit wäre diese Ostseebucht

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vollständig mit Windrädern zugebaut. Beliebig große Energiemengen lassen sich also durch Offshore-Techniken an Deutschlands Küsten nicht erzeugen. Tab. 3.8: Windparks

Windpark Gansu Zhang Jaikou Alta Wind Energy Center Jaisalmer London Array Global Tech Doggerbank (in Planung 2010)

Land VR China VR China USA Indien UK Deutschland UK

Leistung in MW 7965 3000 1547 1064 630 400 9000

Lage Onshore Onshore Onshore Onshore Offshore Offshore Offshore

Die Leistung des Windparks Arkona ist zudem eher als bescheiden anzusehen. Es wird lediglich 1/3 jener Leistung des Braunkohlenkraftwerkes in Schkopau erreicht (Kap. 3.1). Dieser Zahlenvergleich verdeutlicht, welche technischen Anstrengungen für den geplanten Kohleausstieg erforderlich werden. Der größte Windgenerator in Deutschland wurde im Jahre 2014 in Niedersachsen mit 6 MW Leistung in Betrieb genommen. Dass Greifvögel mit den Rotorblättern der Windräder kollidieren, kann in Zukunft durch Installation eines sogenannten Vogelschutzradars unterbunden werden. Kommt ein Greifvogel in die Nähe der Rotorblätter, erfolgt durch den reflektierten Radarstrahl gesteuert die sofortige Abschaltung des Rotors.

3.2.3

Biogasanlagen

Bei der Biogaserzeugung handelt es sich um eine mikrobielle Umsetzung organischer Stoffe zu Gasen. Dabei entstehen vor allem die Gase Methan und CO 2. Als Einsatzstoffe dienen biologische Abfälle aller Art wie Gülle, Mist oder Biotonnenabfälle, zum anderen aber auch Energiepflanzen wie Mais oder Grünschnitt (Tab. 3.9). Neuerdings rückt der Korbblütler Silphie, eine Pflanze mit relativ hohem Biomasseanteil von etwa 13 – 20 t/ha in das Interesse der Biogaserzeuger. Die Pflanze blüht gelb und ist damit zudem eine gute Bienenweide. Tab. 3.9: Substrateinsatz und Gasausbeute

Substrat Maissilage Bioabfall Rindergülle Hühnermist Grassilage

Biogas in m3/t Frischmasse 202 100 25 80 172

CH4 in % 52 61 60 60 54

16

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

Der enzymatische Abbau erfolgt in einem Fermenter in vier Stufen mit unterschiedlichen Mikroorganismen [3.11, 3.12]. In der ersten, der Hydrolysestufe, entstehen mithilfe der Enzyme Amylose, Protease oder Lipase aus polymeren Stoffen wie Kohlenhydraten, Cellulose, Stärke oder Proteinen monomere Einheiten, aus den Kohlenhydraten z. B. Monosaccharide. Tab. 3.10: Biogaszusammensetzung

Gas CH4 CO2 H2O NH3 H2S

Anteil in % 45–70 25–55 0–10

mg/m3

Durchschnitt in % 60 35 3,1

0,01–2,5 10–30.000

in mg/m3

0,7 500

In der zweiten Stufe, der Acidogenese, werden diese Monomeren weiter zu Carbonsäuren und Alkoholen abgebaut. In dieser Stufe bilden sich durch Zersetzung der Proteine auch die unerwünschten, stark riechenden Gase H 2S und NH3, aber auch H2 (Tab. 3.10). In der Stufe der Acetogenese entstehen mikrobiell Essigsäure und Acetate. Dabei sinkt der pH-Wert. In der letzten Stufe, der anaerob verlaufenden Methanogenese, bildet sich das Methan entweder durch Umsetzung von CO 2 mit H2 gemäß Gl. 3.5: 𝐶𝑂2 + 4𝐻2 → 𝐶𝐻4 + 2𝐻2 𝑂 Gl. 3.5

oder durch Zerfall der Essigsäure gemäß Gl. 3.6: 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 → 𝐶𝑂2 + 𝐶𝐻4 Gl. 3.6

Die Überwachung und Steuerung des Fermenters kann mittels pH-Wert-Messung und NIR-Spektroskopie online erfolgen [3.29]. Der Biogaserzeugung ist meist ein BHKW nachgeschaltet, in dem das Methangas zur Gewinnung von Strom und Wärme genutzt wird (Abb. 3.2). Vor der Verbrennung muss eine Gasreinigung erfolgen [3.13]. Der H2S würde bei der Verbrennung SO2 bilden. Werden Energiepflanzen als Substrat verwendet, liegen die H 2S-Konzentrationen niedrig. Das Biogas kann mit O2 gemäß (Gl. 3.7) entschwefelt: 𝐻2 𝑆 + 1⁄2 𝑂2 → 𝑆 + 𝐻2 𝑂 Gl. 3.7

𝐻2 𝑆 + 𝐹𝑒 2+ → 𝐹𝑒𝑆 + 2𝐻 + Gl. 3.8

17

oder durch Zugabe von Stahlspänen als FeS ausgefällt werden. Das gebildete FeS verbleibt im Gärrest als Bodendünger.

Abb. 3.2: Prinzip einer Biogasanlage

Dienen als Substrat zur Biogaserzeugung proteinhaltige Einsatzstoffe, muss man mit einem hohen Anteil an H2S rechnen. Eine Möglichkeit der Entfernung besteht in der Laugenwäsche. H2S als schwache 2-basische Säure reagiert mit den Laugen K(Na)OH unter Bildung von K2(Na2)S. Die Sulfide oxidieren mit Luftsauerstoff zu Thiosulfaten K2(Na2)S2O3. Eine Feinentschweflung kann mit Aktivkohlefiltern erfolgen. Das Verhältnis der beiden Hauptgase CH4 und CO2 variiert in Abhängigkeit des verwendeten Substrates. Der CO2-Anteil lässt sich aber wesentlich durch die CO2 Konvertierung mittels H2 reduzieren (Kap 6.1). Derzeit konzentrieren sich Biogasanlagen auf die Energiegewinnung. Große Anlagen mit 40 Fermenter-Modulen von jeweils 500 kW elektrischer Leistung erreichen eine Gesamtleistung von 20 MW [3.14]. Im Jahre 2013 erzeugten in Deutschland 7720 Biogasanlagen 27,48 GWh, im Jahre 2016 lag die Stromerzeugung bereits bei 32,37 GWh. Die Stromgestehungskosten aus der Verstromung von Biogas belaufen sich auf 8 bis 12 Cent/kWh [9.1]. In der EU fallen jährlich etwa 118 bis 138 Mio. t Bioabfall an, davon ca. 88 Mio. t aus Siedlungsabfällen. Bis zum Jahre 2020 wird das Aufkommen an Abfall voraussichtlich um weitere 10 % ansteigen.

3.2.4

Elektrizität aus Photovoltaikanlagen

Die Sonne strahlt ca. 1,5*1018 kWh auf die Erdatmosphäre ab. Davon ließe sich die Hälfte der Energiemenge durch den Photovoltaikprozess technisch nutzen. Der Photovoltaikprozesses geht auf die Entdeckung des photoelektrischen Effektes durch A. Einstein im Jahre 1905 zurück. Die mit Photovoltaikelementen derzeit technisch erreichten Wirkungsgrade liegen nur etwa bei 20 %. Die für 1 kW notwendige Fläche variiert zwischen 3,3 und 16,7 m2. Derzeit erzeugt Deutschland ca. 41 GW Photovoltaikstrom. Der jährliche Zuwachs lag in den letzten Jahren bei ca. 2,5 GW/a. Um die Klimaziele der

18

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

Bundesrepublik bis 2030 zu erfüllen, sollte nach Aussage des Bundesverbandes der Solarwirtschaft jedoch der Ausbau auf 10 GW/a vervierfacht werden. Das technische Equipment für diese Investitionen ist sicherlich beschaffbar. Allein die Bereitstellung der Flächen zum Aufstellen der Anlagen dürfte zukünftig die Hauptschwierigkeit beim Ausbau bilden. In Baden-Württemberg waren im Jahre 2008 z. B. auf 1.800 ha Fläche Photovoltaikfreianlagen mit einer Gesamtleistung von 486 MW installiert [3.26]. Das entspricht etwa 1 GW auf 36 km2. Die geplanten 10 GW/a würden als Freiflächenanlagen also jährlich 360 km2 beanspruchen, das Doppelte der Fläche der Stadt Dessau-Roßlau. Mit drehbaren Solarpanels kann man die Stromausbeute pro Flächeneinheit zwar erhöhen, benötigt aber einen höheren Investitionsaufwand. Die kWh für „nachgeführte“ Solarpanels der Fa. Solar Wennel berechnet sich 2019 auf 5 Cent. Eine andere denkbare Lösung, mit wesentlich geringerem Flächenbedarf auszukommen, besteht in der Aufstellung bifazialer Module. Die Module konvertieren beidseitig die Sonnenenergie zu Elektrizität. Die Fläche zwischen den Modulen wäre zu 90 % noch landwirtschaftlich nutzbar, z. B. zur ökologischen Tierhaltung. Versuchsweise wird in der Gemeinde Münster in Hessen eine gemeinsame Flächennutzung von ökologischer Tierhaltung unter PVAnlagen erprobt. Eine weitere, ebenfalls in der Erprobung befindliche Anordnung wäre der Pflanzenanbau unter Photovoltaikanlagen. Der Versuchsbetrieb am Bodensee hat gezeigt, dass bestimmte Kulturen wie Kartoffeln oder Hopfen sogar unter dieser Abdeckung besser gedeihen können als nicht abgedeckt. Die dritte technische Lösung für eine kombinierte energetische und landwirtschaftliche Nutzung von Flächen sind die semitransparenten Solarzellen [3.27]. Sie erreichen bei einer abgestuften Transparenz von 5 bis 50 % noch einen energetischen Wirkungsgrad von 150 bzw. 80 W/m2 und werden bereits als Konstruktionsmaterial für Gewächshäuser eingesetzt.

3.2.5

Solarthermiekraftwerke

Die direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme nennt man Solarthermie. Die Wärme kann mittels kleiner Sonnenkollektoren zur Gebäudeheizung oder Warmwasseraufbereitung genutzt werden bzw. in großtechnischen Wärmeanlagen, Solarthermiekraftwerke genannt, zur Stromerzeugung. Solarthermiekraftwerke mit einer Gesamtleistung von 2000 MW befinden in Quarzate in Marokko im Einsatz bzw. Ausbau. Die Ortslage verfügt über ein Energiepotenzial von 2635 kWh/m2 an 365 Tagen im Jahr. Über Parabolspiegel wird Sonnenlicht auf einen Erhitzer geworfen, der aus einem eutektischen Gemisch von 60 % NaNO3 und 40 % KNO3 besteht und sich auf 393 °C erwärmt. Wärmespeicher mit 8*104 t Salzmischung können für 3 h das Salzgemisch warmhalten und Elektrizität auch bei 18 Uhr bei örtlicher Dunkelheit liefern. Die CO2-Bilanz für die Erstellung der Anlagen liegt mit 14 g CO2/kWh ähnlich günstig wie bei Wind- und Wasserkraftwerken. Auf den Einsatz von Solarthermiemodulen zur privaten Warmwasserversorgung wird in Kap 7. eingegangen.

19

3.3

Elektroenergie aus Kernkraftwerken

Triebkraft zur Energiegewinnung aus Kernspaltungen ist der sogenannte Massendefekt ∆m. Die Masse eines Elementkerns mK ist geringfügig kleiner als die Summe seiner Nukleonenmasse: Δm = (𝑍𝑝 ∗ 𝑚𝑝 + 𝑍𝑁 ∗ 𝑚𝑁 ) − 𝑚𝐾 Gl. 3.9

mit:

mp, mN, mK Masse von Proton, Neutron bzw. Masse des Schweratoms, ZP, ZN Anzahl der Protonen bzw. Neutronen

und die Massen der bei radioaktivem Zerfall entstehenden Bruchstücke geringfügig kleiner als die des schweren Ausgangskerns. Da weder Masse noch Energie verloren gehen können, wird als Äquivalent für den Masseverlust ∆m die Energie EKB, auch Kernbindungsenergie genannt, freigesetzt: 𝐸𝐾𝐵 = Δ𝑚 ∗ 𝑐 2 Gl. 3.10

mit:

EKB Kernbindungsenergie, ∆m Massendefekt, c Lichtgeschwindigkeit.

Zerlegt man also spaltbare, schwere Atomkerne durch Neutronenbeschuss gemäß Gl. 3.11, kann man diese schweren Kerne spalten und die frei werdende Energie thermisch nutzen [3.17], wenn eine Kettenreaktion zustande kommt. Die erste Kettenreaktion in einem Kernreaktor gelang E. Fermi 1942 in Chicago. Jeder einzelne Spaltprozess setzt dabei eine Energiemenge EK von 160 MeV frei, aus 1 g 235U bestehend aus 4*1021 Atomen entsteht die Energie von 3*104 kWh, das ist eine millionenfach größere Menge, als bei chemischen Vorgängen, z. B. der Verbrennung gemäß Gl. 3.1, freigesetzt werden: 235

𝑈+

1

𝑛 →

139

𝐵𝑎 +

95

𝐾𝑟 + 2 1𝑛 + 𝐸𝐾 Gl. 3.11

Tab. 3.11: Halbwertzeiten von Radionukliden

Nuklid Cs 131 I 137

Halbwertzeit 30,17 a 8,04 d

Nuklid 85 Kr 210 Pb

Halbwertzeit 10,7 a 22,5 a

Nuklid 226 Ra 239 Pu

Halbwertzeit 1600 a 24390 a

Nachteilig bei der Kernspaltung ist die Bildung radioaktiver Spalt- und Folgeprodukte mit unterschiedlich langer Lebensdauer, ausgedrückt in den Halbwertszeiten der Spalt-

20

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

produkte (Tab. 3.11). Ihre Wideraufarbeitung und Endlagerung verursachen zunehmend hohe Überwachungs- und Transportkosten. Die bei der Spaltung freigesetzte Energie wird in Wärme verwandelt auf ein Kühlmittel, z. B. Wasser übertragen und kann über Dampfturbine und Generator zur Gewinnung von Elektrizität genutzt werden [3.18]. Die Energiegewinnung über die Kernspaltung ist aus ökologischer Sicht als sehr saubere Energieerzeugung einzuschätzen. Dennoch haben sowohl die Störfälle im Jahre 1986 in Tschernobyl bzw. 2011 in Fukushima als auch das Fehlen eines Endlagers für stark radioaktive Abfälle dazu beigetragen, Ängste gegenüber der Kerntechnik in einem Maße zu erzeugen, dass es leider in Deutschland bis 2022 zu einem Ausstieg aus dieser Energieerzeugung kommt. Dennoch geht die Entwicklung der Kerntechnik in anderen Ländern weiter. So ist es z. B. der Republik Finnland gelungen, weltweit das erste Endlager für hoch radioaktive Stoffe nördlich der Stadt Rauma bei Olkiluoto zu errichten. Eine Weiterentwicklung der Kraftwerkstechnik erfolgt zu sogenannten SMR-Typen. Es sind sehr kleine Reaktoren. Sie lassen sich je nach Strombedarf schnell ab- und zuschalten, bedürfen im Havariefall keiner Evakuierungszonen und sind einfach zu entsorgen. Ein Beispiel für ein kleines schwimmendes KKW ist die als Ponton auf einer Petersburger Werft montierte „Akademik Lomonossow“, die Strom und Warmwasser zur Versorgung von Industrieanlagen auf der Tschukschenhalbinsel liefern soll. Im Jahre 2018 erbrachten weltweit 450 KKW eine Gesamtleistung von 397 GW. Ihre CO2-Bilanz, die allein durch den Bau, Abriss und die Entsorgung der Altanlagen geprägt ist, beläuft sich im Durchschnitt auf 10 bis 30 g CO2 pro erzeugter kWh und fällt vergleichsweise niedrig aus.

3.4

Energietransportsysteme

3.4.1

Das physikalische Modell der elektrischen Leitung

Metalle stellen Festkörper mit definierten physikalischen Eigenschaften dar. Sie reflektieren das Licht oder sind gute elektrische Leiter. Beide Materialeigenschaften lassen sich auf den Strukturaufbau der Festkörper zurückführen. Er wird durch das sogenannte Potenzialtopfmodell abgebildet. Hierunter versteht man für eine Objektmenge von Metallatomen eine streng periodische Anordnung von Atomrümpfen, verbunden mit der Ausbildung von sogenannten Energiebändern, in denen Elektronen gleicher Energie angeordnet sind. Das energetisch höchste, vollständig mit Elektronen besetzte Band heißt das Valenzband VB, das darüber liegende, teilweise mit Elektronen besetzte Band, nennt man das Leitungsband LB. Die Elektronen in diesen Bändern bilden ein Elektronengas, auch Fermigas genannt, mit einer statistischen Energieverteilung. Als sogenannte FermiEnergie ist die höchste Energie definiert, die ein Elektron in den beiden Energiebändern einnehmen kann, wenn sich das Gesamtsystem „Metall“ thermodynamisch im Grundzustand befindet. Dieses Bändermodell definiert die Elektronenverteilung in allen Festkörpern (Abb. 3.3).

21

Abb. 3.3: Bändermodell und Bandlücken für Festkörper EF Ferminiveau

Um einen typisch metallischen Leiter handelt es sich, wenn VB und LB keine Bandlücke Bg bilden (Abb. 3.3, rechte Seite). Existiert eine Bandlücke von 0,4 bis 2,5 eV, liegt ein Halbleiter vor (Abb. 3.3, Mitte), bei Bandlücken Bg > 4 eV ein Isolator (Abb. 3.3, links). Stoffe mit Bandlücken < 2,5 eV können bei Energiezufuhr, z. B. von Wärme, elektrisch leitend werden. Umgekehrt verringert sich bei Metallen die elektrische Leitfähigkeit bei Erwärmung. Die physikalische Erklärung der elektrischen Leitfähigkeit in metallischen Leitern ergibt sich aus dem Bändermodell.

Abb. 3.4: Wanderung der Elektronen im elektrischen Feld, A Elektronen im Gitter, B vergrößertes Leiterband mit Fermi-Niveau (EF), Atomrümpfe weiß, Elektronen schwarz

Legt man eine Spannung an ein Metall an, wandern die Elektronen gerichtet im Leitungsband unter Einfluss des elektrischen Feldes. Zusätzlich führen sie stochastische Bewegungen unter Einfluss des Wärmebades aus (Abb. 3.4, Teil B). Dabei kommt es zu Zusammenstößen der Elektronen untereinander und mit dem Gitter. Die Elektronen geben einen Teil ihrer Energie ab. Aber auch durch die Wechselwirkung mit den durch die Gitterschwingungen der Atomrümpfe ausgesandten Photonen kommt es zu Energieverlusten. Je höher die Temperatur des Wärmebades, umso stärker sind die Photonenamplituden, umso größer die Energieverluste (Abb. 3.4, Teil A). Die thermische Energie nimmt bei den genannten Prozessen zu, das Metall erwärmt sich. Der Widerstand des sogenannten Kaltleiters steigt an. Nach dieser Vorstellung ergibt sich die spezifische elektrische Leitfähigkeit aus der Beweglichkeit der Elektronen des Fermigases. Sie ist temperaturabhängig und vergrößert sich mit steigender Temperatur exponentiell um den Faktor 1/T5. Umgekehrt nimmt mit fallender Temperatur der Ohmsche Widerstand kon-

22

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

tinuierlich ab, bis er bei einer sehr tiefen Temperatur, der sogenannten Sprungtemperatur, in der Nähe des absoluten Nullpunktes ganz verschwindet. Unterhalb dieser Temperatur werden viele, aber nicht alle Metalle dann supraleitend (Tab. 3.12). Der Ohmsche Widerstand, ein nach seinem Entdecker Ohm benanntes Maß, stellt den Quotienten aus elektrischer Spannung U und Stromstärke I dar und wird in Ω angegeben: 𝑅 = 𝑈⁄𝐼 Gl. 3.12

Das Ohm Ω besitzt also die Dimension [V/A]. Den spezifischen Widerstand ρ, die eigentliche Materialkenngröße, erhält man aus dem gemessenen Ohmschen Widerstand eines Leiters der Länge l in [m] und dem Leiterquerschnitt d in [mm2] zu: 𝜌 = 𝑅 ∗ 𝑑⁄𝑙 Gl. 3.13

Sein Kehrwert 𝜎 = 1⁄𝜌 Gl. 3.14

besitzt die Dimension 1/Ω m/mm2 und charakterisiert die spezifische Leitfähigkeit eines Materials. 2 𝜌 = Ω 𝑚𝑚 ⁄𝑚 Gl. 3.15

Den Kehrwert des elektrischen Widerstandes nennt man auch Leitwert. Die physikalische Größe wird zu Ehren von Siemens mit Siemens S bezeichnet. Es gilt: 𝑆 = 1⁄Ω Gl. 3.16

und daraus folgt für die spezifische elektrische Leitfähigkeit, auch Leitwert genannt: 𝜎 = 𝑚⁄Ω ∗ 𝑚𝑚2 = 𝑚 ∗ 𝑆⁄𝑚𝑚2 = 106 ∗ 𝑆⁄𝑚 Gl. 3.17

In Tab. 3.12 sind für verschiedene Materialien die spezifischen Leitfähigkeiten nach Kategorien geordnet zusammengestellt. Als elektrische Leiter zwischen den Energieerzeugern und den Verbrauchern kommen dominant die Massemetalle mit hoher Leitfähigkeit also Al und Cu zum Einsatz (Tab. 3.12, Zeile 2).

23

Tab. 3.12: Spezifische Leitfähigkeiten von Stoffen

Kategorie 1

Supraleiter

2

Leiter Bg = 0 )1

3

typischer Bereich σ in [S/m] R → 0, σ → ∝

Isolator Bg >4 eV 8 Hochpolymere

σ > 106

YBa2Cu3O7, Sprungtemperatur 93 K Cu: 58 ∗ 106

σ = 10-3 bis 103

Al: 47 ∗ 106 Ag: 66 ∗ 106 Ge: 2,1 mit Bg = 0,8

Massemetalle

Halbleiter 0,1 bis 2,5 eV 4 Elektrolyt 5 Elektrolyt (leitende Polymere) 6 Ionenleiter

7

41 bis 350 S cm2/val < 103 < 10-11 (temperaturabhängiger Heizleiter) σ < 10-8

hohe Durchschlagsfestigkeit )1 Bg band gap )2 konzentrationsabhängig

3.4.2

Beispiel σ in [S/m]

H3O + = 350 S cm2/val )2 PEDOT in H2O 0,1 bis 2 bei Zugabe von DMSO bis 500 ZrO2/Al2O3 bei 300 K:10-9 bei 600 K: 10-5 SiO2: 1,33 ∗ 10-18 z. B. Polystyren: 10-16

Elektrizitätsübertragung

Der Transport der E-Energie erfolgt keinesfalls verlustfrei. Beim Energietransport über große Entfernungen treten neben der Koronaentladung bei hochgespannten Strömen vor allem die Ohmschen Verluste auf. Nach dem Jouleschen Gesetz besteht zwischen der transportierten elektrischen Leistung und der durch den Ohmschen Widerstand bedingten Wärmebildung die Beziehung: 𝑄𝑤 = 𝑎 ∗ 𝑃 ∗ 𝑡 Gl. 3.18

mit:

P elektrische Leistung, t Wirkdauer, a Wärmeäquivalent.

Ist die Wärmebildung erwünscht, nennt man QW „Elektrowärme“. Unerwünscht ist sie jedoch bei der Stromübertragung durch Fernleitungen. Man spricht dann von Ohmschen oder Stromwärmeverlusten. Die zu transportierende elektrische Leistung P stellt das Produkt aus Spannung U und Stromstärke I dar: 𝑃 =𝑈∗𝐼 Gl. 3.19

24

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

Der Zusammenhang zwischen dem Ohmschen Widerstand R und den Größen U bzw. I ergibt sich mit dem Ohmschen Gesetz. Setzt man den nach der Spannung umgestellten Ausdruck in die Wärmegleichung Gl. 3.18 ein, folgt für die Wärmeverluste: 𝑄𝑊 = 𝑎 ∗ 𝐼 2 ∗ 𝑅 ∗ 𝑡 Gl. 3.20

Das heißt, die gewollt oder ungewollt erzeugte Wärme bei Fließen eines Stromes in einem elektrischen Leiter ist dem Quadrat der Stromstärke proportional. Will man Wärme-verluste reduzieren, muss also die Stromstärke niedrig gehalten werden. Doch einfach die Stromstärke absenken, löst das Problem nicht, denn damit würde sich gemäß Gl. 3.19 zugleich die übertragene Leistung P absenken. Deshalb transformiert man die Spannung bei Stromübertragungen über größere Entfernung hoch. Dennoch liegen bei einer 110-kV-Wechselstromübertragung bei 100 km Entfernung die Verluste bei 6 %, bei einer 800-kV-Leitung würden sie dagegen nur bei 0,5 % betragen. Der technische Aufwand zum Bau von 800-kV-Leitungen ist jedoch sehr hoch. Deshalb bilden 380-kVLeitungen die obere Grenze bei der Höchstspannungsübertragung. Neben den Wärmeverlusten als echte Energieverluste treten bei der Wechselstomübertragung noch zwei weitere Verlustfaktoren auf: der kapazitive und der induktive Verlust. Sie werden auch als sogenannte Scheinwiderstände bezeichnet [3.19]. Tab. 3.13: Wechselstromnetzte

Bezeichnung Höchstspannung Hochspannung Mittelspannung Niederspannung

technisch übliche Übertragungsspannungen 220 oder 380 kV 110 kV 1 bis 35 kV 230 bis 300 V

Für Stromübertragung über sehr große Entfernungen minimiert man die Energieverluste durch eine Gleichstromübertagung, HGÜ genannt. Die Ohmschen Verluste bei Gleichstromübertagung betragen etwa nur 3 % auf 1000 km Übertragungslänge. Da jedoch der Dreiphasenwechselstrom vorteilhaft für Antriebssysteme ist, muss in Kopfstationen die Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom und umgekehrt erfolgen. In Bau befindet sich derzeit eine Seekabelverbindung für die Gleichstromübertragung zwischen dem norwegischem Tonstad und Wilster in Deutschland, „Nordlink“ genannt. Sie besteht aus 620 km Seekabel sowie 54 km Landkabel auf deutscher Seite bzw. 53 km Gleichstromfreileitung auf norwegischer Seite. Bei Inbetriebnahme im Jahre 2020 können dann Energieüberschüsse aus Windparkanlagen nach Norwegen transportiert und in den dortigen Pumpspeicherwerken in Form mechanischer Energie gespeichert werden. Umgekehrt kann bei Windflaute die Versorgung aus den norwegischen Wasserspeichern aufrechterhalten werden. Die Leitung ist für 1400 MW ausgelegt. Letztlich bilden derartige Stromerzeuger und Speicherverbindungen überhaupt erst die technisch notwendige Voraussetzung für eine ausschließlich auf Regenerativen ausgerichtete Energieversorgung.

25

Der Weitertransport der auf See oder an der Küste erzeugten Elektrizität an Land soll durch zwei Gleichstromtrassen erfolgen. Die „Suedlink“-Trasse wird von Brunsbüttel in Schleswig-Holstein nach Großgartach in Baden-Württemberg, bzw. von Wilster in Schleswig-Holstein nach Gräfenrheinfeld in Bayern führen und wird von den Netzbetreiberfirmen Tennet und TransBW betrieben. Die zweite Leitung, „Suedostlink“ genannt, führt von Wolmierstedt in Sachsen-Anhalt in die Nähe bei Landshut in Bayern und wird von den Netzbetreiberfirmen Tennet und 50Hertz betrieben. Ihre Fertigstellung ist nicht vor 2025 geplant. Die Stabilität eines Stromnetzes erkennt man an der Frequenz des Wechselstromes. Sie ist mit 50 Hz und einer stochastischen Schwankungsbreite vom +- 0,15 Hz festgelegt. Wird dem Stromnetz mehr elektrische Leistung entnommen als von den Generatoren erzeugt, kann das Leistungsdefizit aus der Rotationsenergie der Generatoren ausgeglichen werden. Sie laufen dann langsamer und die Netzfrequenz fällt ab. Bei Abweichungen von +- 0,2 Hz erfolgt ein Regeleingriff aus der Netzzentrale: bei sinkender Leistung durch Zuschalten anderer E-Erzeuger, bei zu hoher Einspeisung, z. B. aus Windkraftanlagen deren zeitweilige Abschaltung. Die Umstellung auf regenerative EEnergieerzeugung bringt eine höhere Netzinstabilität mit sich. Sie kann aber durch den Aufbau großer Speichereinheiten abgefedert werden.

3.4.3

Gaspipelines und Flüssiggasterminals

Gaspipelines und Flüssiggasterminals sind Energietransportsysteme, die mit E-Energie zwar nur mittelbar verknüpft sind, aber in Anbetracht des angedachten Ausstieges aus der Kohleverstromung für die Versorgungssicherheit in den nächsten Jahren von eminent wichtiger Bedeutung werden. Sie sollen deshalb ebenfalls als Energieversorgungssysteme kurz skizziert werden. Für den Transport von Erdgas existieren zwei unterschiedliche Systeme: der Transport durch Gaspipelines oder der Schiffstransport mit verflüssigten Gasen. Die Zusammensetzung des Erdgases variiert. Erdgas mit hohem Methangehalt von 90 bis 98 %, als LNG- bzw. H-Gas bezeichnet, besitzt einen Brennwert von 14 kWh/kg. Erdgas mit einem Anteil von nur 85 % CH4, 4 % höheren Kohlenwasserstoffen von C2 bis C5 sowie einem Inertgasanteil bis zu 11 %, wird als L-Gas bezeichnet und besitzen einen Brennwert von 10 kWh/kg [3.22]. Tab. 3.14: Haupterdgaslieferanten im Jahre 2017 [3.20]

Importland Russland Norwegen Niederlande

Anteil in % 51,1 27,1 21,3

Die Bundesrepublik Deutschland deckt ihren Erdgasbedarf fast ausschließlich durch Importe (Tab. 3.14). Diese kommen per Pipeline aus Russland, Norwegen oder den

26

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

Niederlanden. Besondere Bedeutung haben in Zukunft die beiden Gaspipeline-Stränge North Stream und North Stream 2 zwischen Russland und Deutschland. Hierbei handelt es sich jeweils um zwei parallele Gasleitungen. Der erste Strang wurde am 8.11.2011 bereits in Betrieb genommen, der zweite befindet sich noch im Bau. Die Gaspipeline verläuft in einer Länge von 1224 km von in Wyborg in Russland bis nach Lubmin bei Greifswald unter der Ostsee hindurch. Die Pipeline wird durch die Nord Stream AG betrieben. Unklar ist die CO2-Bilanz. Unbestritten ist die Verbrennung von Methan zwecks Energiegewinnung günstiger als die Verbrennung von Kohle. Aber zur Ökobilanz gehört eben auch der energetische Aufwand, der beim Bau und Unterhalt der Versorgungsleitung betrieben werden muss. Die enorme Länge von Juschno Rosskoje an der Barantsee, dem Gewinnungsort des Erdgases, bis nach Lubmin, dem Anlandungsort, verlangt eine wiederholte Gasverdichtung. Allein in Wyborg muss das Gas auf etwa 300 bar für die Ostseequerung verdichtet werden. Die CO2-Bilanz zur Herstellung der speziell mit Beton ummantelten Rohre für die Ostseeunterquerung ist sehr hoch. Mit einem jährlichen Gesamtdurchsatz von 2 mal 55*109 m3, also insgesamt von 110*109 m3 Erdgas, deckt der Pipelinedurchsatz nach endgültiger Fertigstellung einen Verbrauch ab, der dem in Deutschland im Jahre 2016 von 101,4*109 m3 entsprach. Eine Erhöhung der Stromerzeugung bei Wegfall der Kohleverstromung erfordert also weitere zusätzliche Gasimporte, z. B. von LNG-Flüssiggas. Hierbei handelt es sich um verflüssigtes Methan, das auf tiefer -163 °C gekühlt ist und unter Druck steht. Es wird in speziellen etwa 300 m langen Gastankern transportiert. Zurzeit verfügt die Bundesrepublik noch über kein Terminal zur Anlandung von Flüssiggas, aber den Zugriff auf drei Terminals in benachbarten Staaten am Ärmelkanal, die mit 6 bis 12 % kaum ausgelastet sind. Angedacht ist der Bau von Gasterminals in Stade, Wilhelmshafen oder Brunsbüttel u. a. auch für Schiefergasimporte aus den USA. Brunsbüttel am Schnittpunkt von Elbe und Nordostseekanal bietet sich in Zukunft u. a. für Kreuzfahrtschiffe an, wenn ab 2020 diese Schiffe von Treibstoffen mit einem Schwefelgehalt < 0,5 % betrieben werden müssen. Bisher wird Schweröl mit 3,5 % Schwefelgehalt als Transportenergie eingesetzt. Die ersten Kreuzfahrtschiffe mit Gasantrieb sind bereits im Bau.

3.5

Gesundheitliche Risiken bei Stromübertragung

Der Widerstand der Bevölkerung bei der Umrüstung der Energieversorgung wird mitunter mit gesundheitlichen Risiken begründet. Ist eine solche Befürchtung berechtigt oder dient die Argumentation eher egoistischen Zielen? Die Einstellung der Bürger zu elektrischen oder magnetischen Feldern, wie sie von stromdurchflossenen Leitern ausgehen, ist ambivalent. Wird aus medizinischen Gründen eine Diagnose mittels MRT-Untersuchung notwendig oder eine Therapie mit Kurzwellenbestrahlung, wird die Anwendung als heilsam empfunden und kritiklos akzeptiert. Der gleiche Patient sieht seine Gesundheit hochgradig gefährdet, wenn eine Starkstromtrasse an seinem Ort vorbeigeführt werden soll, obwohl die Feldstärken der Hochspannungsleitung um ein Vielfaches niedriger als bei den medizinischen Applikationen liegen. Aber auch im täglichen Gebrauch mit Elektrogeräten kann es bei Handy-

27

Gesprächen, sie verbrauchen immerhin ca. 55 TWh/a in Deutschland, Fernsehen oder an Computerspielen nicht genug Wechselfelder geben. Die Fragestellung, wie schädlich oder unschädlich die Feldwirkung bei Stromflüssen ist, kann nur aus der Wechselwirkung zwischen dem Körper und den Feldern beantwortet werden. Die Einwirkung elektrischer oder magnetischer Felder auf den Organismus mit vermeintlich negativem Einfluss nennt man Elektrosmog. Haushaltsgeräte wie PC, Fernsehgeräte oder Rasierapparate arbeiten mit der üblichen Wechselstromfrequenz von 50 Hz. Das entspricht einer schwachen elektrischen Feldstärke von 𝐸 = 1𝑘𝑉⁄𝑚 Gl. 3.21

bzw. einer Magnetflussdichte von 𝐵 ≤ 100 ∗ 𝜇𝑇 Gl. 3.22

Für diese Felder besitzt der menschliche Körper keine entsprechenden Sensoren, kann also die Energie nicht absorbieren [3.21]. Absorptionsstellen für elektromagnetische Strahlung besitzt der menschliche Körper für Wärmestahlen und im UV/VIS-Bereich in einem Frequenzband von 5*104 bis 1011 MHz. Wenn also eine direkte Energieabsorption von elektromagnetischer Strahlung von 50 Hz nicht möglich ist, so bleibt zur Wechselwirkung zwischen dem Organismus und exogenen Feldern nur noch die feldinduzierte Polarisation. Sie kann volumenabhängige Größen wie die Konzentrationen oder Geschwindigkeitskonstanten chemischer Reaktionen prinzipiell beeinflussen. Die Größe der Beeinflussung ergibt sich aus: Δ𝑐 = 𝑐0 ∗ χ(𝐸) Gl. 3.23

bzw. Δ𝑘 = 𝑘0 ∗ 𝜒(𝐸) Gl. 3.24

mit χ(E) örtlicher Feldeinfluss, ∆c, ∆k feldinduzierte Konzentrations- bzw. Geschwindigkeitsänderung von c0, der Konzentration bzw. k0 Reaktionsgeschwindigkeit ohne Feldeinfluss. Dabei ist eine lokale Feldeinwirkung nur dann von Relevanz, wenn sie größer ist als die durch das Wärmebad, also die Umgebungstemperatur gegebene natürliche Fluktuation:

28

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

2 𝜒(𝐸) = Δ𝑎𝑖 ∗ 𝐸 ⁄2𝑘𝑇

Gl. 3.25

∆ai Änderung des Volumens oder der Reaktionsgeschwindigkeit, E äußere Feldstäke, k Boltzmannkonstante, T Temperatur. Da die Parameter ∆a1 nach Hofer [3.23] sehr kleine Werte besitzen, folgt aus Gl. 3.25, dass nur bei extrem hohen exogen Feldern, z. B. einem Daueraufenthalt unter einer 380kV-Leitung eine Veränderung der örtlichen Felder möglich ist, letztlich Wechselstromfelder kaum einen Einfluss auf den Organismus ausüben. Aber wie verhalten sich elektrische und magnetische Gleichstromfelder? Allgemein gilt, dass ein Stromfluss mit einem magnetischen Feld verbunden ist, also auch bei Gleichstromleitungen ein Magnetfeld aufgebaut wird. Die Abstrahlung von den Übertragungsleitungen liegt bei 0.8 μT. Arbeitsmedizinisch sind 100 μT erlaubt. Magnetische Felder durchdringen alle Gegenstände, lassen sich nicht abschirmen. Die Feldstärke der Übertragungsleitungen entspricht etwa der Feldstärke des Erdmagnetfeldes, ist also für den menschlichen Körper nichts Ungewöhnliches. Statische elektrische Felder können nicht in den menschlichen Körper eindringen [3.24, 3.25]. Sie werden zudem durch Bäume und Hauswände geschwächt. Der mitunter geäußerte Verdacht, dass bei Kindern eventuell schon bei 0,4 μT ein gehäuftes Leukämie-Risiko zu erwarten ist, konnte nicht durch statistisch gesicherte Studien oder Tierversuche erhärtet werden. Den indirekten Einfluss elektrischer oder/und magnetischer Felder auf den menschlichen Körper muss man von jenen Stromeinwirkungen bei direkter Körperberührung elektrischer Leiter unterscheiden. Allgemein treten bei Spannungen < 50 V keine lebensbedrohlichen Körperschäden auf. Die Schäden durch Berührungskontakte hängen sowohl von der Stromdichte, dem Produkt aus Stromstärke und Fläche, der Zeitdauer der Berührung und der Frequenz ab. Tab. 3.15 gibt die physiologische Wirkung eines Stromes in Abhängigkeit der Stromstärke wieder. Tab. 3.15: Körperschäden bei direkter Strom-Berührung

Stromstärke 10 bis 25 mA 25 bis 80 mA bis 3 A >3A

3.6

Wirkung blutdrucksteigernd, Kontraktion der Muskeln Bewusstlosigkeit, Herzrhythmusstörungen Kreislauf- und Atemstillstand zusätzliche Verbrennungen

Energieerntefaktor

Der Energieerntefaktor ist eine Kennziffer zur Beurteilung von Energiequellen, z. B. von Kraftwerken. Der Faktor ergibt sich aus dem Verhältnis von nutzbarer Energie zu investierter Energie:

29

𝐸=

𝐸𝑅 ⁄𝐸 𝐼 Gl. 3.26

mit: ER genutzte Energie, z. B. Elektrizität, EI investierte Energie, auch graue Energie genannt. Ε-Werte >1 bedeuten eine positive Gesamtbilanz. Je höher E, umso effizienter arbeitet die Energiequelle. Der kumulierte Investitionsaufwand setzt sich aus zwei Teilen zusammen, einem fixen für den Aufwand beim Bau und Abbau der Anlagen und einem variablen für die Wartung und Beschaffung der Primärenergie. Leider wurden in der Vergangenheit in die Berechnungen zur Beurteilung von Energieanlagen nicht die Schäden durch die Emission von Klimagasen eingerechnet.

Literatur [3.1] R. Zeilner: Zu viel CO2 aus dem Verkehr – ist Elektromobilität die Lösung? Nachrichten aus der Chemie 67 (2019) S. 26 – 31 [3.2] Abschlussbericht der Kommission für „Wachstum Strukturwandel und Beschäftigung“ (26.1. 2019). [3.3] Übereinkommen von Paris (12. 12. 2015) UNFCCC: Historic Paris Agreement on Climate Change: 196 Nations Set Path to Keep Temperature Rise Well Below 2 Degrees Celsius (Memento vom 17. Januar 2016 im Internet Archive). [3.4] E. Hahne: Technische Thermodynamik. Oldenbourg Verlag (2010) S. 406 – 408 ISBN 3-486-59231-9 [3.5] R. Flosdorff, G. Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. Leitfaden der Elektrotechnik. Teubner Verlag (2003) ISBN 3-519-26424-2. [3.6] N. A. Lange, J. Armstrong: Wirtschaftliche Nutzung von Tidenenergie. In: Schiff & Hafen, Heft 3/2013, S. 76 – 78, Seehafen-Verlag, Hamburg (2013) ISSN 0938-1643 [3.7] B. Friedhoff, J. Peckolt: Wellenenergie für Windparks. In: Hansa, Heft 12/2014, S. 64/65, Hamburg (2014) ISSN 0017-7504 [3.8] S. Schöbel: Windenergie und Landschaftsästhetik – Zur landschaftsgerechten Anordnung von Windfarmen. JOVIS Verlag, Berlin (2012) ISBN 978-3-86859-150-7. [3.9] D. Hanisch: Erneuerbare Energien: Ein realer Kampf gegen Windmühlen. ZEIT ONLINE, (30.11.2011) abgerufen am 22. Januar 2013. [3.10] B. Adler, R. Müller: Seltene Erdmetalle – Gewinnung, Verwertung und Recycling. Universitätsverlag Ilmenau (2014) S. 96 – 97 [3.11] R. Stürmer, M. Breuer: Enzyme als Katalysatoren. Chemie und Biologie Hand in Hand. In: Chemie in unserer Zeit Band 40 (2006) 104 – 111 [3.12] H.- J. Jördening, J. Winter (Hsgb.): Environmental Biotechnology. Wiley-VCH Weinheim (2005) [3.13] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA): Merkblatt 361 „Aufbereitung von Biogas“ (10/2011), ISBN 978-3-942964-06-7 [3.14] https://www.nextfarming.de/next-farming/office

30

3 – Erzeugung und Leitung von Elektroenergie

[3.15] H. Häberlin: Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen. VDE, Berlin (2010) ISBN 978-3-8007-3205-0 [3.16] A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik – Physik und Technologie der Solarzelle. 2. Auflage, Teubner Verlag Stuttgart (1997) ISBN 3-51913214-1 [3.17] A. Ziegler, H. J. Allelein (Hrsg.): Reaktortechnik – Physikalisch-technische Grundlagen. 2. Aufl., Springer-Vieweg (2013) ISBN 978-3-642-33845-8 [3.18] Leonhard Müller: Handbuch der Energietechnik. 2. Auflage. Springer, Berlin (2000) ISBN 3-540-67637-6. [3.19] D. Zastrow: Elektrotechnik – Ein Grundlagenlehrbuch. Vieweg + Teubner, (2010) S. 59 ISBN 978- 3-658-19306-5 [3.20] Energiestudie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (2017) [3.21] H. Rieger: Wechselspannung, Wechselstrom. Publicis Corporate Publishing, Erlangen (1992) ISBN 3-8009-4036-1 [3.22] B. Adler, H. Ziesmer: Chemische Karzinogenes von A bis Z – Ein Lexikon. DVG Stuttgart (1996) Stichwort „Elektrosmog“ [3.23] M. Hofer: Bioelektrochemie-Elektrosmog? Nachr. Chem. Tech. Lab. 43 (1995) 35 - 38 [3.24] D. Twardella: Gesundheitliche Auswirkungen von Hochspannungs-Gleichstromübertragungen LGL München (12.1.2014) [3.25] Süddeutsche Zeitung: Gesundheitliche Risiken durch Stromleitung (16.4.2014) [3.26] https://de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaik-Freiflächenanlagen (2019) [3.27] https://www.solar-constructions.com/worldpress/transparente-solarmodule (2019) [3.28] A. Winternitz: Bottroper Zech Prosper Haniel soll zum Kraftwerk werden, https://www.rottenplaces.de/bottroper Zeche … (13.7.2019) [3.29] https://www.lw-heute.de/eichhof-hessisches biogaszentrum. Der Eichhof wird zum hessischen Biogaszentrum (2019)

4

Energiekonvertierungen

4.1

Energiekonvertierungen in der Natur

Die oxygene Photosynthese von Algen und grünen Landpflanzen bildet die Lebensgrundlage auf der Erde. Dabei entsteht unter Einwirkung von Sonnenlicht aus CO 2 und Wasser in den Zellen in einer Primärreaktion gemäß Gl. 4.1 Formaldehyd: h*v

𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 ⟶ > 𝐶𝐻𝑂𝐻 + 𝑂2 Gl. 4.1

Das tautomere > CHOH existiert in freier Form nicht, sondern polymerisiert weiter zu Inosit, der sich zu Aldose umlagert Gl. 4.2 und Gl. 4.3: 6 > 𝐶𝐻𝑂𝐻 ⟶ 𝐶6 𝐻6 (𝑂𝐻)6 Gl. 4.2

𝐶6 𝐻6 (𝑂𝐻)6 ⟶ 𝐻𝑂 − 𝐶𝐻2 (𝐶𝐻𝑂𝐻)4 𝐶𝑂𝐻 Gl. 4.3

In weiteren, enzymkatalysierten Umsetzungen entstehen daraus Kohlenhydrate wie Zucker, Stärke oder Cellulose. Aus den Zuckern baut die Pflanze alle ihre anderen Inhaltsstoffe auf [4.1]. In einer intakten Natur findet also ein Kreislauf zwischen Entstehung und Verstoffwechslung von CO2 statt. Dieser Kreislauf wird durch zwei Prozesse zunehmend gestört: zum einen die Verringerung der natürlichen Lebensräume zur Photosynthese, z. B. durch Abholzung der Wälder oder Trockenlegung der Moore, und zum anderen durch immer höhere CO2-Emissionen durch Verbrennungsprozesse, vor allem durch Kohlekraftwerke und Verbrennungsmotoren der Fahrzeuge.

Abb. 4.1: Kohlenstoffkreislauf mit Verbrennung und Photosynthese

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 B. Adler, Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60688-9_4

32

4 – Energiekonvertierungen

Dadurch kommt es zum Ansteigen der CO2-Konzentration in der Atmosphäre, was schließlich zu einer allmählichen Erderwärmung (Kap. 7.1) führen muss.

4.2

Übersicht zu technischen Konvertierungsprozessen

Im Weiteren werden jene Energiekonvertierungen skizziert, die für wirtschaftliche Prozesse notwendig sind.

Abb. 4.2: Wärmeverluste bei der Energiekonvertierung

Dazu gehört seit mehr als 100 Jahren die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Dampfturbinen und Generatoren sowie die Erzeugung von Transportenergien durch Verbrennungsmotoren (Tab. 4.1, Zeile 1). Tab. 4.1: Natürliche und technische Energiekonvertierungen

1

Primärenergie Brennstoffe

Konvertierung Verbrennung

2

Elektroenergie

Elektrolyse

3

Elektroenergie

Brennstoffzelle (Schmelzfluss)Elektrolysen

4

Elektromagnetische Strahlung

5

Elektroenergie

Photovoltaik

Lumineszenz Motor Generator

6 7

8

Elektroenergie mechanische Energie Wärme

Sekundärenergie Elektroenergie oder Transportenergie chemische Energie (Stromspeicherung)

chemische Produkte Elektroenergie

mechanische Energie (Pumpwasser und Druckluftspeichertechniken)

Ohmscher Widerstand (Wind)Generator

Wärmeverluste Elektroenergie

IR-Photovoltaik

Elektroenergie

33

Diese Prozesse sind mit der Bildung von CO2 verbunden und müssen in den nächsten Jahren drastisch reduziert werden. Regenerative Energien von Wind- oder Wasserkraft sowie die Nutzung der Sonnenenergie bilden zunehmend die alternativen primären Energieformen. Doch die regenerativen Energien stehen mitunter nur temporär zur Verfügung, im Extremfall bei Dunkelstromflaute gar nicht. Für solche Totalausfälle ist durch Energiespeichung Vorsorge zu treffen. Energiespeicherung und Rückkonvertierung zu Elektroenergie sind entropische Prozesse (Tab. 4.1, Zeile 2). Durch gehemmte Reaktionen an den Elektrodenoberflächen kommt es z. B. bei der elektrolytischen Wasserstofferzeugung sowie der zeitversetzten Rückverstromung in der Brennstoffzelle zu Verlusten an reversibler Arbeit unter Freisetzung von Wärme. Die Temperatur des Konvertierungssystem erhöht sich von der Anfangstemperatur TA auf TE am Ende der Konvertierung. Natürlich ist eine solche Wärmebildung nicht erwünscht, kann aber technisch kaum vermieden werden. Der Temperaturanstieg von TA der Anfangstemperatur auf TE der Endtemperatur mit TE > TA ist mit einem Anstieg der Entropie des Systems verbunden: Δ𝑆(𝑇𝐴

𝑇𝐸)

= 𝑘 ∗ 𝐼𝑛

𝑇𝐸 ⁄𝑇 𝐴 Gl. 4.4

Um den Betrag T ∆S verringert sich dabei der Anteil an reversibel zu leistender Arbeit (siehe auch Enthalpiebetiehung Gl. 9.6). Wie diese Konvertierungsverluste auf den Strompreis in Zukunft umzulegen sind, scheint bisher ungeklärt zu sein.

4.3

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Erzeugung von Elektroenergie

Die Verbrennung fossiler Energieträger trug im Jahre 2018 in Deutschland zu mehr als 45 % zur Elektrizitätserzeugung bei (Tab. 3.2). Etwas mehr als 38 % entfielen dabei auf die Verbrennung von Braun- und Steinkohle, 7,4 % auf die Stromerzeugung aus Erdgas. Das Zurückfahren der Kohlekraftwerke hängt mit ihrem beschränkten Wirkungsgrad zusammen. Der mittlere Wirkungsgrad der Braunkohlenkraftwerke liegt nur bei 35 %, der von Steinkohlekraftwerken bei 38 %. Er kann nicht beliebig erhöht werden, was mit der Art der Energieerzeugung zusammenhängt. Zunächst muss durch Verbrennung der fossilen Energieträger thermische Energie in Form von Wasserdampf erzeugt werden. Der Wasserdampf treibt die Dampfturbinen an und erzeugt dabei mechanische Energie. Der Wirkungsgrad der Dampferzeugung ist durch den Carnotschen Kreisprozess bestimmt; der Carnot-Wirkungsgrad ηC gibt das Verhältnis von abgegebener Arbeit A zur zugeführten Wärmemenge Q an: 𝑇𝐴 𝑇 − 𝑇𝐴 𝜂𝐶 = 𝐴⁄𝑄 = 𝐸 ⁄𝑇 = +1 − ( ) 𝐸 𝑇𝐸 Gl. 4.5

34

4 – Energiekonvertierungen

Tab. 4.2: Effizienz von Verbrennungskraftwerken

Kraftwerkstyp

Wirkungsgrad in %

CO2-Emission in g/kW/h [4.2]

1

2

3

4

43,7 45 – 47 60,75

1150 950 430

Boxberg (Lausitz) Mannheim 8 Irsching bei Ingolstadt

1

Braunkohle 2 Steinkohle 3 Gas 4

zum Vergleich Windund Wasserkraftanlagen

Bemerkung

20 – 40

Der Wirkungsgrad der Dampfturbine ist also umso höher, je größer die Temperaturdifferenz TE – TA gestaltet werden kann. Man erreicht diese Forderung mit hoch überhitztem Wasserdampf [4.2]. Die Grenze für die höchste Temperatur TE ist jedoch durch die Hitzebeständigkeit der verwendeten Stähle für die Rohre der Verdampfer festgelegt und kann nicht beliebig erhöht werden. Bei hohen Temperaturen muss man außerdem verstärkt mit Korrosionsschäden an den Dampferzeugern rechnen. Zur Vermeidung von Korrosionen wird deshalb der Wasserdampf aus deioniertem Wasser, sogenannten Deionat, hergestellt. Der niedrige Wirkungsgrad der Dampferzeuger verursacht letztlich die Höhe der spezifischen CO2-Emission (Tab. 4.2, Spalte 3). Bei Gaskraftwerken kann man die heißen Verbrennungsgase direkt auf eine Gasturbine leiten, also in mechanische Energie konvertieren. In der Form des Kombikraftwerkes durchströmen die Verbrennungsgase anschließen noch einen nachgeschalteten Abhitzekessel und erzeugen Dampf, der dann über eine zweite Dampfturbine geleitet wird. In GuD-Kraftwerken erzielt man Wirkungsgrade ≥ 60 % (Tab. 4.2, Zeile 3). Als Brenngase können Erd-, Bio-, Raffineriegas oder Wasserstoff verwendet werden. Gegenüber Kohle als Primärenergie besitzen die Brenngase ein günstigeres H-C-Verhältnis. Allerdings muss aus dem Biogas das durch die Fermentierung entstehende CO 2 vom Methan abgetrennt werden, z. B. durch eine Sabatierkonvertierung Kap. 6.2. Die Abgase der Gaskraftwerke sind CO2-ärmer, im Idealfall der Wasserstoffverbrennung sogar CO 2-frei. Dennoch besitzen Gaskraftwerke nicht das Potenzial, die CO2-Emissionen auf ein Niveau abzusenken, um den gefürchteten Klimawandel zu vermeiden. Dieses Ziel kann nur mit erneuerbaren Energien oder mit Kernenergie erreicht werden. Sollte der Umstieg auf die Brückentechnologie Gas den Ausbau von klimafreundlichen Alternativen wie Windkraft oder PV verzögern, besteht sogar die Gefahr, dass sich die globale Erwärmung verstärkt.

35

4.4

Die Konvertierung von Elektroenergie in chemische Energie

4.4.1

Elektrizität aus Akkus

Zwei Elektroden mit unterschiedlichen Normalpotenzialen bilden in einer Elektrolytlösung eine galvanische Kette, mit einer definierten Spannung, auch EMK genannt. Prinzipiell gilt, dass bei diesem Entladungsvorgang an der Anode durch Oxidation Ionen in Lösung gehen und an der Kathode Ionen reduziert und abgeschieden werden. Dieses galvanische Prinzip kann sowohl zur Strombereitstellung durch Entladung als auch zur Stromspeicherung durch Aufladung genutzt werden. Vor der Entladung wird der Energiespeicher zunächst aufgeladen, d. h. elektrische Energie muss in chemische konvertiert werden. Man führt dem Akku von außen Energie zu, beim Entladen kann Strom aus dem Akku entnommen werden. Chemische Energie konvertiert in elektrische Energie. Beim Lade- und Entladevorgang wechseln die Elektroden ihre Funktion: Aus der ursprünglichen Kathode beim Laden wird die Anode und umgekehrt wird die Anode beim Laden zur Kathode beim Entladen. Die vier chemischen Reaktionen sollen an dem derzeit noch viel als Autobatterie genutzten elektrischen Speicher, dem Pb-Akku, demonstriert werden (Gl. 4.6 – Gl. 4.7). Der Akku liefert im geladenen Zustand eine elektrische Spannung von 2 V. Beim Entladen wird an der Anode metallisches Pb in Pb2+ oxidiert und an der Kathode PbO2 in Pb2+ reduziert (Gl. 4.8 – Gl. 4.9): Reaktion bei Aufladung des Akkus Anode 𝑃𝑏 2+ + 2𝐻2 𝑂 + 2𝑒 − ⟶ 𝑃𝑏𝑂2 + 4𝐻 + Gl. 4.6

Kathode 𝑃𝑏 2+ + 2𝑒 − ⟶ 𝑃𝑏 Gl. 4.7

Beim Entladen kann die gespeicherte chemische Energie wieder in elektrische rückkonvertiert werden. Dabei wird an der Anode Pb zu Pb 2+ oxidiert, an der Kathode entstehen Pb2+-Ionen durch Reduktion des PbO2: Reaktionen bei Entladung des Akkus: Anode 𝑃𝑏 ⟶ 𝑃𝑏 2+ + 2𝑒 + Gl. 4.8

Kathode 𝑃𝑏𝑂2 + 4𝐻 + + 2𝑒 − ⟶ 𝑃𝑏 2+ + 2𝐻2 𝑂 Gl. 4.9

36

4 – Energiekonvertierungen

Die Vorgänge der Entladung und Aufladung lassen sich summarisch zusammenfassen. Es gilt die Redoxgleichung: 𝑃𝑏 + 𝑃𝑏𝑂2 + 4𝐻 + ⇄ 2𝑃𝑏 2+ + 2𝐻2 𝑂 Gl. 4.10

Beide Vorgänge finden in Schwefelsäure als Elektrolytlösung statt, deren Konzentration sich während des Entladevorganges durch die Wasserbildung laufend verringert. Der Ladevorgang ist abgeschlossen, sobald bei 2,7 V die Zersetzungsspannung des Wassers erreicht ist und durch H2-Bildung der Akku zu gasen beginnt. Die Aufladespannung muss etwas mehr als 2 V betragen, um die thermischen Verluste zu kompensieren. Tab. 4.3: Akkumulatoren

Akku 1

Pb

2

NiMH

3

Li-Ionen

Elektrodenmaterial bei Entladung Kathode: PbO2 Anode: Pb Kathode: NiO(OH) Anode: MeOHmit Me = La, Ni, Co, Nd Kathode: Li+ Anode: Li

Spannung in V 2 1,32

3,2 – 3.6

Elektrolyt H2SO4 20 % KOH pH 14 LiPF6 Polyvinyledenfluorid

Für die Elektromobilität ist ein Pb-Akku wegen der hohen Atommasse des Bleis mit 207,2 u. ziemlich ungeeignet. Fahrzeuge mit einem geringen Aktionsradius hat es jedoch bei Post und Bahn Mitte des vergangenen Jahrhunderts zur Paketbeförderung gegeben. Nichts liegt aber näher, als eines der schwersten Massemetalle, das Pb, durch leichtere zu substituieren. So verwendet man im NiMH-Akku mit M = (La, Nd, Ni und Co)Metalle mit mittleren Atommassen und im Li-Ionen-Akku das leichteste aller Metalle, das Li, mit einer Atommasse von nur 6,94 u. Sowohl der Li- als auch NiMeH-Akku bestehen aus recht komplex aufgebauten Elektrodenmaterialien, z. B. die Anode des NiMH-Akkus aus der Legierung La0,8Nd0,2Ni2,5Co2,4Si0,1. Als Elektrolytlösung dient 20 %-ige KOHLösung. Die Vorgänge beim Entladen des Akkus verlaufen wie folgt: Anode 𝑀𝐻 − + 𝑂𝐻 − ⟶ 𝑀0 + 𝐻2 𝑂 + 𝑒 − Gl. 4.11

Kathode 𝑁𝑖𝑂(𝑂𝐻) + 𝐻2 𝑂 + 𝑒 − ⟶ 𝑁𝑖(𝑂𝐻)2 + 𝑂𝐻 − Gl. 4.12

37

Die Redoxgleichung für die Gesamtreaktion lautet: 𝑀𝑂𝐻 − + 𝑁𝑖𝑂(𝑂𝐻) ⇄ 𝑀0 + 𝑁𝑖(𝑂𝐻)2 Gl. 4.13

Beim Entladen wird an der Anode der im Metallhydrid (M+H−) gebundene Wasserstoff zu H+ oxidiert. Das Metall geht in die Oxidationsstufe M0 über. Die entstehenden H+Ionen reagieren mit den OH−-Ionen der Kalilauge zu Wasser. Das Redoxpotenzial bei pH = 14 beträgt ca. − 0,83 V. An der Kathode wird Nickel der Oxidationsstufe Ni3+ (NiO(OH) zu Nickel der Oxidationsstufe Ni2+ (Ni(OH)2) reduziert. Die Redoxspannung beträgt ca.+ 0,49 V. Die Gesamtspannung der EMK der beiden Teilreaktionen ergibt sich als Summe aus den beiden Teilpotenzialen zu 1,32 V (Leerlaufspannung). Damit gegen Ende des Entladevorganges nicht das Metall anstelle des Wasserstoffs oxidiert wird, verbaut man Elektroden unterschiedlicher Größe. Das Nickel(III)-oxihydroxid an der kleineren Kathode erschöpft sich, bevor der Wasserstoff an der größeren Anode vollständig aufgebraucht ist. Unter anderem verwendet die Fa. Toyota 228 in Reihe geschaltete Elemente zu je 6,5 Ah mit einer Gesamtspannung von 220 V zum Antrieb eines 60-kWFahrzeugmotors [4.3]. Während die Energiedichte eines Pb-Akkus nur bei 30 [Wh/kg] liegt, erreichen Libasierte Stromspeicher eine Energiedichte von bis zu 210 [Wh/kg]. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 90 % bzw. in der Modifikation mit Nanoschichten aus Li-Titanat sogar bei 95 % und damit wesentlich höher als der des Pb-Akkus. Da das Metall Li zugleich das negativste Normalpotenzial aller Metalle besitzt, liefert eine Li-Ionen-Batterie eine hohe Nennspannung von 3,4 bis 3,8 V. Sie ist mithin wesentlich höher als die vom NiMHAkku. Tab. 4.4: Variationen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Anode (Entladung) Cu ummantelt mit: 1

1

Graphit/ Li amorphes Si/Li 3 Li4Ti5O12 4 SnO2 2

Kathode (Entladung) Al ummantelt mit:

Elektrolyt

2

3

LiCoO2 LiNi1-xCoxO2 LiMnO2 LiFePO4

LiPF6 LiPO4N Polyvinylidenfluorid

Im Li-Ionen-Akku wandern die Li+-Ionen zwischen Anode und Kathode. Die Übergangsmetalloxide vom Co, Ni oder Mn sind dagegen ortsfest. Es handelt sich also um einen Akku mit einem Feststoff-Elektrolyten. Eine Zusammenstellung des Elektronenmaterials und der Elektrolyten ist in Tab. 4.4 gegeben. Die Einbettung des Li bzw. der Li+ in die Kohlenstoffebenen des Graphites, auch als Interkalation bezeichnet [4.4], ist wegen der außerordentlich hohen Reaktivität des Li-Metalles sowohl gegenüber O2 als auch gegenüber H2O-Spuren notwendig. Das freie Metall würde mit beiden Stoffen sofort unter großer Wärmeentwicklung reagieren. Der Akku würde brennen. Und tatsächlich treten Akku-Brände bei mechanischer Zerstörung der Batterie immer wieder

38

4 – Energiekonvertierungen

auf. Anstelle von Graphit kann die Einbettung der Li-Atome auch im amorphen Si oder im SnO2 erfolgen (Tab. 4.4, Zeilen 2 und 4). Das Material der Gegenelektrode besteht aus Li-Verbindungen der Metalle Co, Mn oder Ni (Tab. 4.5, Spalte 2). Als Feststoffelektrolyten verwendet man u. a. Lithiumhexafluorophosphat, Lithiumphosphatnitrid oder Polyvinylidenfluorid (Tab. 4.4, Spalte 3). Beim Entladevorgang laufen an den Elektroden folgende chemischen Reaktionen ab: Anode 𝐿𝑖𝑥 𝐶𝑛 ⟶ 𝑛 ∗ 𝐶 + 𝑥𝐿𝑖 + + 𝑥 ∗ 𝑒 − Gl. 4.14

Kathode 𝐿𝑖𝑥∗−1 𝑀𝑛𝑂2 + 𝑥𝐿𝑖 + + 𝑥𝑒 − ⟶ 𝐿𝑖𝑀𝑛𝑂2 Gl. 4.15

Gesamtredoxprozess 𝐿𝑖𝑥 𝐶𝑛 + 𝐿𝑖1−𝑥 𝑀𝑛𝑂2 ⇄ 𝑛 ∗ 𝐶 + 𝐿𝑖𝑀𝑛𝑂2 Gl. 4.16

An der Anode wird das Li unter Abgabe eines Elektrons zum Li+ oxidiert. An der Kathode unter Aufnahme eines Elektrons das Mn4+ zum Mn3+ reduziert. Der Li-Titanat-Akku (Tab. 4.4, Zeile 3) stellt die Weiterentwicklung des Li-Speichers dar. Anstelle der Graphitelektrode arbeitet man mit einer Elektrode aus nanostrukturiertem Li4Ti5O12. Eine solche Oberflächenschicht ist für Li+-Ionen undurchlässig. Es werden maximal ca. 15*103 Ladezyklen erreicht. Die Lebendauer des Akkus beträgt etwa 12 Jahre. Durch die Nanostrukturierung der Elektrode kann man mit höheren Ladeströmen arbeiten und erhält eine 90 %-ige Aufladung in nur 10 Minuten. Herkömmliche LiIonen-Akkus benötigen für einen Aufladevorgang dagegen 2 bis 3 Stunden. Die Ursache für die Schnellladefähigkeit liegt in der wesentlich vergrößerten Oberfläche des nanoskalierten Li-Titanates von 100 [m2/g] gegenüber der Graphitoberfläche von nur 3 [m2/g]. Der Akku kann im Temperaturbereich von - 35 bis + 75 °C betrieben werden und ist unter dem Markennamen „nanoSafe“-Batterie im Handel. Der Li4Ti5O12-Akku wird in Phoenix-Motorcar-Wagen seit 2008 eingesetzt.

39

Abb. 4.3: Aufbau einer Li-Ionen-Zelle

Hohe Nennspannungen und erheblich gesteigerte Wirkungsgrade sind die herausragenden Merkmale der Li-Akkumulatoren gegenüber den Pb-, AgZn- oder NiMeH-Speichern (Tab. 4.5, Spalten 3 und 4). Tab. 4.5: Kennwerte von Akkumulatoren

Akku-Typ 1 1

Pb

2

LiCoO2 LiFePO4 4 NiMH 5 Li4Ti5O12 6 AgZn 3

4.4.2

Energiedichte in [Wh/kg]

Wirkungsgrad in %

Nennspannung in [V]

Bemerkung

2

3

4

5

30

60 – 70

2

120 – 210 80 – 140 60 – 110 70 – 90 65 – 210

90 94 70 90 – 95 83

3,6 3,3 1,2 3,2 1,5

hohe Betriebssicherheit schnellladefähig schnellladefähig schnellladefähig hohe Kapazität

Brennstoffzellen

Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Kette, die elektrochemisch Gase oder Flüssigkeiten kontinuierlich oxidiert und dabei auf direktem Wege zu elektrischer Energie konvertiert. Als oxidierbare Stoffe dienen u. a. H2, CH4, CH3OH oder C4H8. Der Wirkungsgrad dieser elektrolytischen Umsetzungen liegt über jenen, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Kohlekraftwerken erreicht werden. Das ist insofern verständlich, da in Wärme-Kraft-Maschinen die Konvertierungskette: 1

2

3

chemische Energie → Wärme → mechanische Energie → Elektrizität

40

4 – Energiekonvertierungen

mit drei Konvertierungen, bei der Brennstoffzelle dagegen die direkte Konvertierung von chemischer Energie in Elektrizität als Arbeitsschritte notwendig sind. Tab. 4.6: Parameter von Brennstoffzellen [4.5]

Name 1

AFC DMFC 3 PEMFC 4 SOFC

Temperatur in °C 80 – 90

2

200 700 – 1000

Wirkungsgrad in % 50 – 65 40 35 – 60 47 – 70

Elektrolyt KOH H3O+ H3PO4 Oxidkeramik ZrO2

Brennstoff H2 CH3OH CH4 CH4, H2

Entropie in kJ/K∗ mol 44,4 0

Bei der AFC-Zelle erfolgt im alkalischen Medium von KOH an der Anode die Oxidation von H2 zu H2O, an der Kathode die Reduktion des molekularen O2 zu O2-Ionen: Anode 2𝐻2 + 4𝑂𝐻 − ⟶ 4𝐻2 𝑂 + 4𝑒 − Gl. 4.17

Kathode 𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 + 4𝑒 − ⟶ 4𝑂𝐻 − Gl. 4.18

Redoxprozess 2𝐻2 + 𝑂2 ⇄ 2𝐻2 𝑂 Gl. 4.19

Abb. 4.4: Prinzip einer AFC-Brennstoffzelle

Die theoretische Zellspannung der AFC-Zelle liegt bei einer Zelltemperatur von 25 °C bei 1,23 V. Praktisch werden nur 0,5 bis 1 V Spannung erreicht. Durch Zusammenschließen mehrerer, in Reihe geschalteter Zellen erhält man eine gewünschte Zellspannung.

41

4.4.3

Elektrolyseur

Im PEM-Elektrolyseur kann Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gemäß (Gl. 4.20 und Gl. 4.21) zerlegt werden. An der Anode und Kathode laufen dabei nachstehende Reaktionen ab: Anode 2𝐻2 𝑂 ⟶ 4𝐻 + + 4𝑒 − + 𝑂2 Gl. 4.20

Kathode 4𝐻 + + 4𝑒 − ⟶ 2𝐻2 Gl. 4.21

Redoxprozess 2𝐻2 𝑂 ⇄ 2𝐻2 + 𝑂2 Gl. 4.22

Gl. 4.22 stellt also die Rückreaktion von Gl. 4.19 dar. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse liegt bei 70 bis 80 %, d. h. ein Teil der elektrischen Energie geht als Wärmeverluste verloren. Für 1 N m3 H2 werden ca. 4,3 bis 4,9 kWh an Elektrizität benötigt. Ein Windrad mit 3 MW würde in 24 h etwa 14.700 N m3 H2 liefern können.

Abb. 4.5: Elektrolyseur mit PEM

Im PEM-Elektrolyseur trennt eine protonendurchlässige Polymermembran den Kathoden- vom Anodenraum (Abb. 4.5). Die Kathode besteht aus einer porösen KohlenstoffElektrode, deren Oberfläche platiniert ist. Die Anode ist metallisch oder liegt in oxidischer Form vor. Auch sie ist mit Edelmetallen, z. B. Iridium oder Ruthenium beschichtet. An der Anode erfolgt die Zersetzung des Wassers und die Oxidation des Sauerstoffs zu O2. Die dabei gebildeten H+-Ionen wandern durch die protonendurchlässige Membran und werden an der Kathode zu Wasserstoff reduziert. Der elektrische Energiebedarf zur Herstellung von 1 m3 H2 in einem modernen Hochdruck-Elektrolyseur liegt bei einem Druck von 12 bar bei etwa 4,8 kWh. Die nicht vermeidbaren Energieverluste werden

42

4 – Energiekonvertierungen

u. a. durch Überspannungen an den Elektroden verursacht und machen sich durch Wärmebildung, d. h. Entropieerhöhung bemerkbar.

4.4.4

Reversible Brennstoffzelle

Die RFC kombiniert Elektrolyse und Rückverstromung. Basis bilden die beiden Gleichungen Gl. 4.19 bzw. Gl. 4.22. Die RFC besteht im einfachsten Fall aus der Kombination einer Wasserstoff-Brennstoffzelle gemäß Kap. 4.2.2.2 mit einem Elektrolyseur, Kap. 4.2.2.3. Das System aus Elektrolyseur und Brennstoffzelle lässt sich zu einer Einheit, genannt URFC, vereinfachen. Erste Anlagen wurden im Jahre 2015 in den Markt eingeführt.

4.4.5

Hochtemperatur-Brennstoffzelle

Bei den bisher abgehandelten galvanischen Zellen lag der Elektrolyt in flüssiger Form vor. Die Ladungsträger wanderten in einer Flüssigkeit. Aber auch in Feststoffen können Ladungsträger, z. B. die O2- im elektrischen Feld sich bewegen (Tab. 3.12, Zeile 6). Das Phänomen wurde erstmals von Nernst an einer auf > 700 °C erhitzten ZrO2-Probe beobachtet. Mischt man dem ZrO 2 andere Metalloxide wie Al2O3 oder Y2O3 zu, tritt die Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit, bedingt durch Frenkel- oder SchottkyFehlordnungen im Feststoff schon bei wesentlich tieferen Temperaturen auf.

Abb. 4.6: Funktionsprinzip eines Heizleiters (ZrO2/Y2O3-Keramik) [4.6]

Besondere Bedeutung kommt Oxidgemischen aus Y2O3 und ZrO2 zu. Sie besitzen bei Materialien für Brennstoffzellen die Zusammensetzung: (ZrO2) 0,9 (Y2O3) 0,1 , bzw. bei komplexeren Gemischen auch [4.7]: ZrO2-Y2O3-Ta2O5 bzw. ZrO2-CeO2-Y2O3.

43

Solche Oxidkeramikgemische bezeichnet man als YSZ-Keramik. Die Keramik zeichnet sich nicht nur durch eine intrinsische Ionenleitung aus, sondern besitzt zudem eine hohe Temperaturbeständigkeit und hohe Bruchfestigkeit. Die Leitfähigkeit steigt bei Temperaturerhöhung. Das Oxidgemisch wird zum Heizleiter. Dabei wandern O2-Ionen durch das Kristallgitter (Abb. 4.6). Zur Herstellung einer dünnen Elektrolytschicht aus YSZ wird eine Beschichtung mit feinem YSZ-Staub auf eine Elektrode aufgetragen und gesintert. Gegebenenfalls können auch mehrere Lagen nacheinander zusammengesintert werden. Die Kathode eines YSZ-Elektrolyts besteht aus dem keramischen Werkstoff LanthanStrontium-Manganit, (La,Sr)MnO3. Das Kathodenmateriel kann durch Zumischen von YSZ dimensionsstabil gefertigt werden. Die Anode besteht aus Nickel-Cermet, einem Verbundwerkstoff aus dem Metall Nickel und der YSZ Keramik. HochtemperaturBrennstoffzellen befinden sich bereits am Markt [4.8].

4.5

Konvertierung von E-Energie in chemische Produkte

Die Konvertierung von elektrischer Energie in chemische Produkte beginnt Mitte des 19. Jahrhunderts mit dem Aufbau von Chlor-Alkali-Elektrolysen. Einer der großen Industriestandorte für solche Elektrolysen entsteht Bitterfeld mit seinen reichen Braunkohlevorkommen und den benachbarten Bernburger bzw. Staßfurter Steinsalzbergwerken. Man benötigt damals vor allem das Hauptprodukt, die Grundchemikalie NaOH zur Sodaherstellung (Tab. 4.8, Zeile 1). Die Elektrolysen haben alle Umstrukturierungen überstanden. Die Hg-Amalgananlagen sind lediglich durch moderne Membran-Elektrolysen substituiert worden. Durch das Wirken von Rathenau von 1893 bis 1907 werden zu Beginn des 20. Jahrhunderts in Bitterfeld weitere Schmelzfluss-Elektrolysen zur Gewinnung der Metalle Mg und Al aufgebaut (Tab. 4.8, Zeile 2). Beide Elektrolysemetalle werden 1919 den Cup/Al/Mg-Werkstoff, Duraluminium genannt, für die ersten Ganzmetallflugzeuge der Dessauer Fa. H. Junkers liefern. Die Großproduktion von Cyanamid bei der Knapsack in Hürth und im Reichsstickstoffwerk in Piesteritz ist im Ersten Weltkrieg kriegsbedingt dem Mangel an Sprengmitteln durch die englische Seeblockade für die Transporte von Chilesalpeter bedingt. Über die Stufen Calciumcarbid, seine Azotierung mit Luftstickstoff zu Calciumcyanamid und dessen Zersetzung zu NH3 nach dem Franck-Caro-Verfahren ist man in der Lage, Salpetersäure durch Oxidation von NH3 zu produzieren. Aber bereits 1917, mit der Inbetriebnahme der NH3-Hochdruckhydrierungen in den Leuna-Werken wird die Produktion von Cyanamid in Piesteritz gedrosselt, das Produkt zunächst nur noch zur Kunstdüngerproduktion hergestellt. Auch die 1938 in den Buna-Werken in Schkopau in Betrieb genommene Großproduktion an Calciumcarbid, Ende der 80er-Jahre immerhin 1 Mio. t/a, diente zunächst der kriegswichtigen Produktion von Kautschuk und bildete später die Basis der C2-Chemie, da Mangel an Erdöl besteht (Tab. 4.8, Zeile 4). Die gedeckten 12 Carbidöfen in den Buna-Werken in Schkopau hatten je eine Leistungsaufnahme von 100 MW, waren also wahre Energiefresser. Nach dem schweren Explosionsunglück im Februar 1990 infolge Wassereinbruch in einen der Carbidöfen wurde in den BunaWerken die Produktion bis 1992 schrittweise eingestellt.

44

4 – Energiekonvertierungen

Tab. 4.7: Großtechnische elektrochemische Verfahren

1

Verfahren Chlor-AlkaliElektrolyse

2

Produkte Cl2, H2, NaOH

SchmelzflussElektrolysen 3 Ca-CyanamidProduktion

Al, Li, Na, K, Mg, …

4

C2H2, C2-Chemie

Ca-Carbidproduktion

Kunstdünger, NH3

Betriebe EKB in Bitterfeld seit 1893 Buna-Werke seit 1936 EKB in Bitterfeld bis 1991

Bemerkung Puffer und Speicher

Reichsstickstoffwerk in Piesteritz 1916 – 1991, Knapsack in Hürth Buna-Werke in Schkopau 1938 – 1991

Puffer

Puffer

Puffer

Ferner betriebt man in Piesteritz und in Bitterfeld sechs Phosphoröfen mit 40 bzw. 80 MW Leistung zur Herstellung von weißem Phosphor und dessen anschließende Oxidation zu P2O5 zur Phosphorsäureherstellung (Tab. 4.7, Zeile 5). In der P-Ofen-Schlacke sammeln sich die Metallionen. Das heißt, der Phosphorofen liefert letztlich schwermetallfreie Düngemittel. Bei Verwendung von Kolaappatit als Phosphatrohstoff werden u. a. auch die Seltenen Erdmetalle in der P-Ofenschlacke aufkonzentriert, da die Hauptelemente des Phosphates als P4 bzw. CO gasförmig den Ofen verlassen. Der Phosphorofenprozess bildete bis 1991 auch die Rohstoffbasis für die Produktion der SEMetalle. Allen elektrochemischen Prozessen ist gemein, dass sie im Pufferbetrieb chargiert wurden: am Tage zum Teil in Dunkelstromfahrweise, nachts bei Stromüberschuss unter Volllast. Das heißt, die Verfahren stellen sowohl chemische Produkte her, dienen aber immer gleichzeitig zur Netzstabilisierung. Heute steht eine Chlor-Alkali-Elektrolyse im besonderen Interesse, die von LiCl zur Gewinnung von Li für Li-Ionen-Batterien. Man gewinnt das Li dominant aus Sekundärlagerstätten (Salzseen), in denen es bis zu max. 1 % enthalten sein kann. Die derzeit größte Förderung findet in Salar de Atacama in Chile mit ca. 1,2*104 [t/a] LiCl statt. Der erste Herstellungsschritt zur Produktion des Li ist die Sodafällung: 2𝐿𝑖𝐶𝑙 + 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 ⟶ 𝐿𝑖2 𝐶𝑂3 + 2𝑁𝑎𝐶𝑙 Gl. 4.23

Diese Reaktion dient sowohl zur Reinigung als auch zur Aufkonzentrierung. Das LiCarbonat wird danach mit HCl zum Li-Chlorid umgesetzt: 𝐿𝑖2 𝐶𝑂3 + 2𝐻𝐶𝑙 ⟶ 𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 Gl. 4.24

45

Das gebildete LiCl unterwirft man dann bei 352 °C der Schmelzflusselektrolyse und reduziert es zum metallischen Li. Das reine Li schwimmt wegen seiner ungewöhnlich geringen Dichte auf der Salzschmelze und wird von der schutzgasumspülten Oberfläche abgezogen. 𝐿𝑖 + + 𝑒 − ⟶ 𝐿𝑖 Gl. 4.25

Prinzipiell wären die Reaktionsschritte gemäß (Gl. 4.23 bis Gl. 4.25) auch zum Recycling von Li-Batterien notwendig. Die technische Umsetzung des Batterierecyclings befindet sich derzeit jedoch noch im Versuchsstadium.

4.6

Konvertierungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und E-Energie

In Halbleitermetallen (Ge, Se, Te, Sb oder As) sind Valenz- und Leiterband durch eine energetische Bandlücke (Kap. 3.2.1) voneinander getrennt (Abb. 4.7). Durch Energiezufuhr von außen, z. B. durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, können Elektronen aus dem Valenz- in das Leitungsband übergehen. Es fließt dann ein elektrischer Strom. Die Umkehrung des Überganges eines Elektrons aus dem Leiterband in das energetisch tiefer gelegene Valenzband löst eine Lumineszenzerscheinung aus, der Stoff leuchtet bei Anlegen einer Spannung.

Abb. 4.7: Licht-Energie-Konvertierung in Halbleiterkristallen

Nicht zwingend notwendig für die Halbleitereffekte sind die oben genannten Hauptgruppenelemente. Vielmehr lassen sich Halbleitereigenschaften auch dadurch erzwingen, dass man ein hoch reines Element mit Spuren eines anderen Elementes dotiert. So entsteht bei Dotierung von 4-bindigen Si mit Spuren von 5-bindigem P eine n-Dotierung, bei Zugabe von Spuren von 3-bindigen Al eine p-Dotierung; Tab. 4.8 zeigt eine Übersicht über einige Basis- und Dotierungsmaterialien. Die Konzentration der Fremdatome

46

4 – Energiekonvertierungen

variiert. Das Verhältnis von Fremd- zu Basismaterial liegt im Bereich von 10 – 7 bis maximal 10 – 4 bezogen auf die Menge des Basismaterials. Tab. 4.8: Basis- und Dotierungsmaterialien für Halbleitermaterialien

Basismaterial Si, Ge GaAs

Fremdatom n-Dotierung P, As, Sb Te

Fremdatom p-Dotierung B, Al, Ga, In C

Beide Halbleitereffekte lassen sich technisch zur Energiekonvertierung nutzen. Die Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung, z. B. Sonnenlicht, in Elektroenergie nennt man den Photovoltaikeffekt. Bei der Umwandlung von Elektroenergie in Strahlungsenergie spricht man von Lumineszenzstrahlung.

4.6.1

Der Photovoltaikprozess

Die Konvertierung von Sonnenenergie in Elektroenergie kann als eine technische Nachahmung der Photosynthese gemäß Gl. 4.1 angesehen werden. Der Unterschied besteht nur in den Konvertierungsprodukten: In der Natur entstehen chemische Produkte, beim Photovoltaikprozess elektrische Energie. Für die Energiekonvertierung von Sonnenlicht in elektrischen Strom kommen gezielt gestörte, d. h. dotierte Halbleiter zum Einsatz. Durch die Dotierung steigt die Konzentration an Ladungsträgern. Sie beträgt z. B. bei hoch reinen Si(Ge)-Halbleitern nur 1010 bzw. 1014 Ladungsträger/cm3 und bewirkt die Eigenleitung dieser Stoffe.

Abb. 4.8: Halbleiterdotierungen zur Erhöhung der Elektronenkonzentration A Akzeptordotierung, B Donatordotierung

Bei den Halbmetallen Sb und As beträgt die Zahl von Ladungsträgern schon 1020/cm 3, liegt aber gegenüber den echten Metallen immer noch um Größenordnungen niedriger. Dotierungen im ppm-Bereich führen bei Si-Halbleitern zu einer wesentlichen Steigerung der Ladungsträgerdichte. Das Phänomen lässt sich am Bändermodell erklären. Zwischen dem Valenz- und Leitungsband befinden sich Störstellenterme. Der Akzeptorterm befindet sich kurz oberhalb des Valenzbandes und der Donatorterm kurz unterhalb des Leitungsbandes (Abb. 4.8). Die Abstände zum Leitungs- bzw. Valenzband betragen nur ca.

47

50 meV. Das heißt, durch Zufuhr geringer thermischer Energie können Elektronen aus dem Valenzband in das Haftniveau mit der Energie EA übergehen und hinterlassen im Valenzband Löcher (Abb. 4.8, links). Aus dem Haftniveau ED können ebenfalls bei geringer thermischer Energieeinwirkung Elektronen in das Leitungsband freigesetzt werden und verstärken dort die elektrische Eigenleitung (Abb. 4.8, rechts). Der Photovoltaikeffekt kommt dadurch zustande, dass durch Lichtabsorptionen Elektronen aus dem Valenzband oder den Hafttermen in das Leitungsband wechseln. Bei dotierten SiHalbleitern finden solche indirekten Übergänge zwischen beiden Bändern statt. Die Zahl der positiven und negativen Ladungsträger, p und n, in einem Kristall muss immer gleich sein. Sie wird sowohl von der Bandlücke, EBg, des Kristalls als auch von der absoluten Temperatur T des Wärmebades bestimmt. Es gilt: 𝑛 ∗ 𝑝 = 𝑁𝐿 ∗ 𝑁𝑉 exp (−

𝐸𝐵𝑔 ⁄𝑘 ∗ 𝑇) 𝐵 Gl. 4.26

mit: NV, NL Teilchen im Valenz- und Leiterband, kB Boltzmann-Konstante, T absolute Temperatur und EBg Bandlückenenergie. Tab. 4.9: Halbleitermaterialien für Solarmodule [4.9]

Material a-Si (amorph Si) 2 mc-Si (multikristallines Si) 3 c-Si (monokristallines Si) 4 μc-Si (mikrokristallines Si) 5 Tandem ZnO: Al//Cu(In,Ga)Se2//Mo 6 Cd Te 7 In P o. Ga Sb 8 Cu(In,Ga) Se2 (CIGS) 9 CuInS2 (CIS) [107] 1

Wirkungsgrad in % 5–7 16 16 – 22 15 max. 30 5 – 12 12 17,4 – 20,8 19,7

Bemerkung mc-Si billiger in der Herstellung als c-Si als Tandem mit a-Si

(für diffuses Licht) thermische Solarzellen

Das heißt, in Halbleitern steigt die Anzahl der Ladungsträger exponentiell bei Temperaturerhöhung und mit Verringerung der Bandlückenenergie an. Gut deutlich wird das beim Vergleich der Bandlücken vom Si und Ge (Abb. 4.10, Zeile 2 und 3). Der niedrigere Bandlückenwert für Ge bringt einen Gewinn an Ladungsträger um den Faktor 104 im Vergleich zum Si. Allgemein bewirkt die Einlagerung von Donatoren, dass die Elektronen Majoritätsträger werden. Der Halbleiter wird zum n-Leiter. Umgekehrt heißt ein Halbleiter p-Leiter, wenn Akzeptoren eingebaut werden und Löcher zu Majoritätsträgern werden. Dotiert man also z. B. das Si im ppm-Bereich, also mit 1017 Fremdionen/cm3, so steigt die Löcherdichte um den Faktor 2,25*103/cm3 an:

48

4 – Energiekonvertierungen

𝑝=

𝑛12 (1,5 ∗ 1010 𝑐𝑚−3 )2 = = 2,25 ∗ 103 𝑐𝑚−3 𝑛 1017 Gl. 4.27

Der Einbau einer Störstellenart bewirkt immer eine Erhöhung der gesamten Ladungsträgerkonzentration nG, da nG = n + p ist. Dabei kann die Leitfähigkeit als Funktion der Ladungsträgerdichte und der Elektronenbeweglichkeit um Größenordnungen ansteigen. Die Bandlücken der Halbleitermaterialien variieren im Bereich von 0.8 bis 2 eV. Die von der Sonne im Bereich dieser Energiebreite emittierte Energie liegt im Bereich von 250 bis ca. 2000 nm. Zwischen der Energieangabe in eV und der Wellenlänge gilt die Beziehung: 𝜆 = 1,236 ∗

103 𝑒𝑉 Gl. 4.28

Man versucht zu dem sichtbaren Teil des Sonnenspektrums, in Abb. 4.9 durch den violetten bzw. roten Balken gekennzeichnet, auch einen UV- und NIR-Anteil in elektrischen Strom zu konvertieren. Dies gelingt mit sogenannten Tandem-Schichten (Abb. 4.10, Zeilen 5 und 8). Durchstrahlt das Sonnenlicht eine Schicht, kann eine tiefer liegende Schicht mit größerer oder kleinerer Bandlücke einen anderen Wellenbereich absorbieren. Semitransparente Photovoltaikmodule lassen den sichtbaren Teil des Lichtes teilweise durch und nutzen den UV- bzw. NIR-Teil zur Elektrizitätserzeugung. Sie sind für Gewächshauseindeckung vorteilhaft. Eine zu hohe Aufheizung der Gewächshäuser unterbleibt, da die Wärmestrahlung in E-Energie konvertiert wird.

Abb. 4.9: Sonnenlichtspektrum

49

4.6.2

Photokatalytische Wasserspaltung

Der Vorteil einer photokatalytischen Wasserspaltung gegenüber der Elektrolyse besteht darin, dass die Ladungstrennung und die Wasserspaltung an ein und derselben Materialoberfläche stattfinden. Das spart einmal Material und verringert zum anderen Übertragungsverluste. 𝐻2 𝑂 + 2 ℎ𝑣 ⟶ 𝐻2 + 1⁄2 𝑂2 Gl. 4.29

Sonnenenergie direkt in Elektroenergie zu konvertieren, kann mittels heterogener photokatalytischer Wasserspaltung erfolgen. Dazu werden anorganische Halbleiter in Wasser suspendiert und mit Sonnenlicht bestrahlt. Das Halbleitermatarial muss eine Bandlücke von mindestens 1,23 eV besitzen, um Wassersoff und Sauerstoffatome voneinander zu trennen. In der Praxis arbeitet man mit Halbleitermaterialien mit Badlücken vom 1,6 bis 2,4 eV [4.10, 4.11]. In diesem Bandlückenbereich lassen sich Wellenlängen aus dem Sonnenlicht von 515 ≤ λ ≤ 772 nm absorbieren. Als Katalysatormaterialien eignen sich N-dotierte Metalloxide vom Typ BaTa2O6 oder Ba5Ta4O15-xNx. Wegen der relativ schnellen Elektron-Loch-Rekombination ist die Energieeffizienz von Partikelsystemen für die kommerzielle Nutzung bisher noch zu niedrig.

4.6.3

Lumineszenzprozesse

Lumineszenzprozesse bilden, wie in Abb. 4.7 bereits angedeutet, die Umkehrung zum Photovoltakprozess. Bei Anlegung einer Spannung kann ein Halbleiterkristall Strahlung emittieren. Die Wellenläge λ des Lumineszenzlichtes hängt vom Kristallaufbau und seiner Dotierung, letztlich wieder von der Bandlücke des Halbleiters ab (Abb. 4.11). Es gilt für die Emission im sichtbaren Bereich des Lichtes: 𝜆 = 774𝑟𝑜𝑡 > Δ𝐸𝐵𝑔 > 375,6𝑣𝑖𝑜𝑙𝑒𝑡𝑡 [𝑛𝑚] Gl. 4.30

mit der Bandlückenenergie ∆EBg gemäß Gl. 4.28: 1,59 ≤ Δ𝐸𝐵𝑔 ≤ 3,39 𝑒𝑉 Gl. 4.31

Die emittierten Wellenlängen λ der Lumineszenz-Strahlung kann durch die Elementzusammensetzung variiert werden. Im Falle des GaxIn1-x As-Halbleiters ergeben sich z. B. Bandlücken im Intervall von 0.34 bis 1,42 eV. Das entspricht Wellenlängen von 1600 bis 900 [nm] in Abhängigkeit der Ga-Menge, x, zu:

50

4 – Energiekonvertierungen

𝐸𝐵𝑔 = (0,36 + 0,63𝑥 + 0,43𝑥 2 ) Gl. 4.32

Da Leuchtdioden monochromatisches, mithin farbiges Licht emittieren, überschichtet man die Halbleiterkristalle mit Leuchtstoffen, um tageslichtweißes Licht zu erhalten, d. h. man erzeugt weißes Licht durch additive Farbmischung. Die Leuchtstoffe bestehen aus Seltenen-Erdmetall-dotierten Anorganika, z. B. Phosphaten oder YAG-Kristallen. Überschichtet man z. B. den blau-emittierenden Halbleiterkristall InGaN mit dem gelben Leuchtstoff Y3Al2(AlO4): Ce, der mit ca. 100 ppm Ce3+-Ionen dotiert ist, erfolgt ein Energieaustausch durch einen d → f* -Elektronenübergang bei 238 nm im Ce3+-Ion. Da an diesem Übergang ein bindendes d-Orbital des Ce3+-Ions beteiligt ist, verläuft der Konvertierungssprozess breitbandig bei der Wellenlänge von Gelb. Ce-dotierte YAGKristalle konvertieren also einen Teil der blauen InGaN-Halbleiter-Strahlung in gelbe Strahlung. Dieser Prozess erlaubt es, durch additive Farbmischung zwischen der Blaukomponente und der Gelbkomponente ein sogenanntes Tageslicht-Weiß in den LEDEnergiesparlampen zu erzeugen. Man bezeichnet eine solche Strahlenquelle auch als LUCO-LED. Tab. 4.10: Halbleitermaterialien für Leuchtstoff- und LED-Lampen

Halbleitermaterial 1

2

AlGa1-x Asx

GaAsP, AlGaAs, GaP GaAsP, AlGaInP 4 GaAsP, AlGaInP, GaP 5 AlGaInP, InxGa1-xN 6 InGaN, ZnSe, SiC 7 InGaN, AlN, AlGaN mit: In0,2 Ga0,8 N In0,3 Ga0,7 N 8 AlGaInN 3

Bandlückenenergie in eV 1,42 ≤ x ≤ 2,16

Wellenlänge in nm 870 > λ > 527

1,62 bis 2,02 2,09 bis 2,02 2,09 bis 2,16 2,16 bis 2,74 2,47 bis 2.74 2,74 bis 3,09 294 277 3,09 bis 5,37

610 < λ < 760 590 < λ < 610 570 < λ < 590 500 < λ < 570 450 < λ < 500 400 < λ < 450 λ = 420 λ = 445 230 < λ < 400

Farbe Infrarot bis Grün Rot Orange Gelb Grün Blau Violett

UV

51

Abb. 4.10: Konvertierung von Elektroenergie zu Lumineszenzstrahlung, bei A Lumophorschichten, bei B Wellenlängebereiche der blauen und gelben Strahlung (p → n-Übergang des In-Ga-Nitrids erzeugt Blau, Down-Konversion im Farbpulver erzeugt Gelb)

4.7

Konvertierung von Wärme in Elektroenergie

Eine Rückkonvertierung von Wärme in Elektrizität, thermische Photovoltaik genannt, würde prinzipiell alle Probleme der Erderwärmung lösen. Aber sie funktioniert mit den derzeitigen Halbleiterkristallen nicht. Technisch verfügbare Halbleiter von Ge oder InAs besitzen Bandlücken von 0,67 bzw. 0,4 eV. Das entspricht Wellenlängen von 1955 bzw. 3090 nm. Nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz ist die intensivste Wellenlänge eines Strahlers umgekehrt seiner Temperatur proportional: 𝜆 = 𝐴⁄𝑇 Gl. 4.33

mit: T Temperatur in K und A Wiensche Verschiebungskonstante 2897,8 μm K. Setzt man die Wellenlängen in μm in Gl. 4.33 ein, erhält man Strahlertemperaturen von 600 bis 900 °C, die also weit über denen der Klimatemperaturen liegen. Tab. 4.11: Zusammenhang zwischen Bandlückenenergie und Strahlertemperatur

Temperatur des Strahlers in

Halbleiter

Bandlücke in eV

Wellenläge in nm

Wellenlänge in μm

1

2

3

4

K

°C

0,67 0,4

1844,8 3090

1,8 3,09

1571 937

1300 666

Ge InAs

5

52

4 – Energiekonvertierungen

Lediglich zur Abwärmenutzung von Hochtemperaturprozessen, z. B. Metallschmelzen (Abb. 4.11) gelingt es, die hohen Abwärmetemperaturen in elektrischen Strom zu konvertieren. Doch auch dafür ist noch eine spezielle Filtertechnologie notwendig. Würde man die gesamte Wärmemenge auf den Halbleiterempfänger einwirken lassen, wäre in kurzer Zeit der Empfänger eingeschmolzen. Mithilfe photonischer Kristalle aus wechselnden Nanoschichten von W mit 20 nm Schichtdicke bzw. HfO2 mit 100 nm Dicke werden die langwelligeren Anteile der Abwärme unterdrückt, die energiereichere Strahlung der Abwärme zur Stromgewinnung genutzt.

Abb. 4.11: Nutzung von Abwärme zur Erzeugung von Elektroenergie

Temperaturen < 600 °C sind also durch Absorptionsvorgänge in Halbleitermaterialien zur Gewinnung von Elektrizität nicht geeignet. Dennoch gibt es einen speziellen, von Seebeck entdeckten Effekt, der sich zur Konvertierung von Wärme in elektrischen Strom nutzen lässt. Besitzt ein elektrisch leitender Körper eine kalte und eine warme Stelle, bewegen sich die Elektronen vom warmen zum kalten Ort. Es tritt eine Thermofluktuation der Ladungsträger auf. Dabei entsteht ein Stromfluss von etwa 10 μV/K. Er ist material- und temperaturabhängig. Die Effizienz der Umwandlung wird durch den ZT-Wert charakterisiert: 𝑍𝑇 = 𝜎 ∗ 𝑆 2 ∗ 𝑇⁄𝑘 Gl. 4.34

σ elektrische Leitfähigkeit S Seebeckkoeffizient T Temperatur in K k thermische Leitfähigkeit Der Seebeckkoeffizient ist sowohl material- als auch temperaturabhängig. Herkömmliche Stoffe besitzen einen ZT-Wert bei 300 K von ZT = 1, PbTe- und SnSe-Legierungen ZT-Werte von 2,2 und 2,6. Und mit solchen Legierungen kann man ca. 20 % der thermischen Energie, z. B. bei Abwärme, in Elektroenergie wandeln [4.12]. Angedacht ist die Nutzung der Wärmeenergie von Autoabgasen oder bei Müllverbrennungsanlagen.

53

4.8

Konvertierung von elektrischer Energie in mechanische Energie

4.8.1

E-Mobilität im Individualverkehr

Bei der Beschreibung der Pumpspeicherwerke wurde bereits auf eine seit Langem genutzte Konvertierung von E-Energie in mechanische Energie sowie die zeitversetzte Rückkonvertierung in Elektrizität diskutiert. Zurzeit erfährt die Substitution von Verbrennungsmotoren durch Elektroantriebe in Fahrzeugen, also die Konvertierung von Elektrizität in Bewegungsenergie besonderes Interesse. Langfristig soll diese Umstellung zu einer wesentlichen Reduzierung der verkehrsbedingten CO 2-Emissionen von 170 Mio. t/a im Jahre 2018, das sind immerhin ca. 19 % der gesamten CO2-Emissionen, auf 100 Mio. t/a führen. Elektrisch betriebene Fahrzeuge für den Individualverkehr werden in verschiedenen Varianten am Markt angeboten. Als reine Batteriefahrzeuge mit einem Stromverbrauch von 13 bis 24 kWh/100 km besitzen sie noch eine beschränkte Reichweite. Hybridfahrzeuge mit E-Antrieb und Verbrennungsmotor weisen einen Kraftstoffverbrauch von 4 bis 7 l/100 km auf und konvertieren Bremsenergie in Strom. Plug-in-Hybride besitzen einen Kraftstoffverbrauch von 1,8 bis 3 l/100 km bei einer E-Leistung von 300 kW. Der Strom kann wahlweise entweder über Steckdose oder über den Verbrennungsmotor erzeugt werden, Schließlich sind Brennstoffzellenfahrzeuge mit einem H2-Verbrauch von 0,9 bis 0,9 kg/100 km am Markt. Ihre Reichweiten liegen zwischen 200 bis 600 km. Alle genannten Fahrzeugtypen arbeiten jedoch keinesfalls CO2-frei. Zum einen kommt der Ladestrom derzeit nur zu ca. 40 % aus regenerativen Quellen, zum anderen werden bei der Herstellung und zum Recycling Energien gebraucht, die eine erhebliche CO 2-Menge freisetzen. So verursacht z. B. die Herstellung einer 50-kWh-Lithiumionenbatterie die Emission von 7,5 bis 10 t CO2. Ein weiterer Grund für die relativ bescheidene CO2Effektivität heutiger E-Mobile liegt in der Batteriemasse. Lithiumionenbatterien besitzen eine Masse zwischen 400 bis 700 kg. Eine Tankfüllung Dieselöl hat dagegen nur eine Masse von 50 kg. Es wird bei Fahrzeugen mit reinem E-Antrieb also viel unnütze Masse mitgeführt, d. h. die Energiedichte der batteriebetriebenen E-Autos ist im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren um das 10- bis 100-Fache geringer. Wesentlich günstiger liegt allerdings das Masseverhältnis beim Brennstoffzellenantrieb. Die genannten Fakten zeigen, dass der CO2-Ausstoß in E-Fahrzeugen derzeit denen mit Verbrennungsmotoren ökologisch noch fast gleichwertig ist (vgl. Kap. 7.4.4). Natürlich wird sich das ökologische Fahrleistungsverhältnis bei steigendem Stromanteil aus regenerativen Quellen langfristig zugunsten der E-Mobilität verbessern. Führend in der Elektromobilität sind die VR China und das Königreich Norwegen mit 3,5 % bzw. 46,7 % an E-Autos. In Deutschland beträgt der Anteil < 0,5 %. Von 45 Mio. Fahrzeugen hatten im 2. Quartal 2019 nur 180*103 einen Elektroantrieb. Um die geforderten Klimaziele in Deutschland bis zum Jahre 2030 zu erreichen, muss jedoch die Anzahl der E-Autos auf 10 Mio. ansteigen. Die Ursache für die derzeit bescheidene Anzahl von E-Autos liegt sowohl an der deutschen Automobilbauindustrie, die die E-

54

4 – Energiekonvertierungen

Mobilität lange Zeit vernachlässigte, als auch am Fehlen einer flächendeckenden Ladeinfrastruktur. Nicht notwendigerweise muss der Fahrzeugantrieb durch den klassischen E-Motor mit elektromagnetischen Spulen erfolgen. Durch die Verwendung starker Permanentmagnete aus Legierungen von Seltenen Erdmetallen lassen sich leistungsstarke Radnabenmotoren entwickeln. Weltweit waren im Jahre 2014 bereits 320*103 solcher Bewegungssysteme im Einsatz, allein in den USA 119*103 [4.18].

4.8.2

Schaffung einer Lade-Infrastruktur

In Deutschland gab es im Jahre 2018 ca. 12*103 öffentliche Ladestationen mit etwa 35.000 Ladepunkten. Davon entfielen 20*103 Ladepunkte auf Wechselstrom.

Abb. 4.12: Ladesäule mit Typ-2(AC)-, CCS-Combo-2(DC)- und (DC)-Anschlüssen (Prinzipskizze)

Ferner existierten CHAdeMO Ladestationen (AC) vom Typ 2 mit 4000 Ladepunkten zu 11 kW, 14.000 Ladepunkten zu 22 kW bzw. 700 Ladepunkten zu 43 kW. Jedes Elektroauto kann mit Typ 2 geladen werden, wenn auch oft nur mit einer reduzierten Ladeleistung. Mit Gleichstrom (DC) und höherer Ladeleistung von 50 kW, 135 kW und 350 kW

55

arbeiten die Systeme CCS mit ca. 1400 Ladepunkten und Tesla Supercharger mit 400 Ladepunkten sowie das japanische Sytem CHAdeMO mit 1200 Ladepunkten (Abb. 4.13). Hohe Ladeleistungen ermöglichen zwar kurze Ladestopps, aber die erforderlichen hohen Stromdichten benötigen eine entsprechend dimensionierte Stromzuführungen [4.16]. Geplant sind bis zum Jahre 2020, 105 Ladesäulen zusätzlich verfügbar zu machen, davon etwa 1/3 Schnellladesäulen. Im Bundeshaushalt stehen dafür 800 Mio. € zur Verfügung. Die Umstellung von Verbrennungsmotoren auf die E-Mobilität scheint zum gegenwärtigen Zeitpunkt des geforderten Kohleausstieges und dem damit verbundenen Wegfall von Stromerzeugern zweischneidig. Einerseits wird ein zusätzliches Verbrauchersegment für die Elektrizität eingeführt. Andererseits würden viele Ladestationen, in einem intelligenten Plug-in-Konzept verbunden, einen virtuellen Großspeicher darstellen. Doch diese Rechnung funktioniert technisch nicht. Die derzeitige Stromzuführung zum Endverbraucher verkraftet millionenfache, private Ladestationen nicht. Bei öffentlichen Ladestationen lässt sich eine Überforderung des Stromnetzes allerdings durch obengenanntes Plug-in-Konzept vermeiden; die Ladestation arbeitet nur bei Stromüberschuss bei neuinstallierten Versorgungsnetzen.

4.8.3

Elektrisch betriebene Nutzfahrzeuge

Elektrisch betriebene Transportsysteme zur Lasten- und Personenbeförderung existierten bereits am Ende des 19. Jahrhunderts. Sie fuhren damals schon sowohl schienengebunden als auch elektrisch betriebene Eisen- oder Straßenbahnen und Trolley-Busse ohne Schienen. Die erste elektrisch betriebene Straßenbahn fuhr in Deutschland 1884 zwischen Frankfurt und Offenbach, der erste O-Bus als Bielatalbahn in der Sächsischen Schweiz in Jahre 1901 (Tab. 4.12, Zeile 1). Tab. 4.12: Nutzung elektrischer Antriebe

1

2

3

Betriebsart Oberleitung Straßenbahn Eisenbahn O-Busse Batterie

Oberleitungslastkraftwagen 4 Brennstoffzelle

Einsatzort/-strecke 1884 Frankfurt-Offenbach 1911 Bitterfeld-Dessau 1901 Bielatalbahn 1920 elektrischer Postzustelwagen 2015 E-Lastwagen Amsterdam 2019 Frankfurt-Weiterstatt 2018 Buxdehude-Cuxhaven 4/2019 Leipzig Hbf-Grimma

Bemerkung Schlitzrohroberleitung 5 kV, 16 2/3 Hz Schleifschuh-Stromabnehmer Pb-Batterien LiFePO4 Akku 6 km Teststrecke Probebetrieb Probefahrt

Der elektrische Betrieb bei der Preußischen Staatsbahn wurde 1911 zwischen den Bahnhöfen Bitterfeld und Dessau aufgenommen. 1912 ging zur Versorgung dieser Strecke das

56

4 – Energiekonvertierungen

erste Bahnstromwerk in Muldenstein bei Bitterfeld in Betrieb. Es war ein Braunkohlenkraftwerk mit 11,3 MW und es erzeugte Einphasenwechselstrom von 15 kV und einer Frequenz von 16 2/3 Hz. Die Versorgung des elektrischen Eisenbahnbetriebes mit eigenem Bahnstrom sollte Störungen durch das damals schon bestehende öffentliche Netz vermeiden. Auch mehrere andere europäische Länder wie Österreich, Schweiz, Schweden und Norwegen entschieden sich für die gleiche, separate Bahnstromeinspeisung. Kurioserweise war es den oben genannten Parametern zu verdanken, dass das Werk zwar 1946 als Reparationsleistung demontiert, aber wenig später wieder zurückgegeben und ein zweites Mal in Muldenstein aufgebaut wurde. Die Frequenz 16 2/3 Hz war mit dem russischen System nicht kompatibel. Die ersten batteriebetriebenen Lastwagen setzte 1920 die damalige Reichspost zur Paketzustellung ein. Natürlich bestanden die E-Speicher zu jener Zeit aus Pb-Akkus. Heute fahren in Amsterdam E-Lastautos mit Lithiumionenspeichern, die einen 250-kWMotor antreiben (Tab. 4.12, Zeile 2). Die Batterien besitzen eine Kapazität von 200 kWh und lassen sich in weniger als 5 h aufladen. Durch die Umrüstung auf E-Antrieb werden pro Transportfahrzeug 90 kg/100 km an CO2-Emissionen eingespart.

Abb. 4.13: Oberleitung auf der A5, © Foto Huebner / picture alliance

In Deutschland waren im Jahre 2018 11.813 E-Lastkraftwagen zugelassen, davon 11.067 mit einer Nutzlast von < 1 t. Alternativ zu batteriebetriebenen Lastautos existieren EFahrzeuge, die die Energiezufuhr zumindest auf Teilstrecken über eine Oberleitung erhalten (Tab. 4.12, Zeile 3). Bei den Lkw handelt es sich um Hybridfahrzeuge, die im städtischen Bereich elektrisch betrieben werden können, im Fernverkehr mit Dieselkraftstoff fahren. Die Oberleitung gestattet ein Nachladen der Batterien, sodass insgesamt 60 km elektrisch betreibbar sind. Die erste Versuchsstrecke wurde am 7.5.2019 eröffnet.

57

Neben der in beiden Fahrtrichtungen ca. 5 km langen Teststrecke auf der A5 zwischen Langen/Möhrfelden und Weiterstatt sind zwei weitere oberleitungtraktierte Strecken im Bau. Für nicht elektrifizierte Bahnstrecken entwickelte die Fa. Alstom einen Brennstoffzellentriebwagen (Tab. 4.12, Zeile 4). Das Fahrzeug besitzt einen Wasserstofftank für eine Reichweite von 800 km [4.19]. Die Brennstoffzelle erzeugt daraus Elektrizität, die durch E-Motoren in Bewegungsenergie konvertiert wird. Man fährt also elektrisch, aber ohne Oberleitung. Würde man alle dieselbetriebenen Eisenbahnstrecken mit Brennstoffzellenantrieb umrüsten, wäre die CO2-Einsparung beträchtlich. Der Gesamtverbrauch an Dieselkraftstoff im Bahnbetrieb beträgt in Deutschland ca. 300 kt/a. Mit der Dichte des Dieselöls von 820 – 845 kg/m3 entspricht das einer Menge von: 3∗

105 𝑡 𝑡 𝑚3 − 0,845 3 = 3,65 𝑏𝑖𝑠 3,55 ∗ 105 0,82 𝑚 𝑎 Gl. 4.35

an Dieselkraftstoff. Bei einem Ausstoß von 2,62 kg CO2/l Diesel ließe sich jährlich die Emission von 9,3 bis 9,563*105 t an CO2 vermeiden. Im Jahre 2018 begann im regulären Verkehrsnetz auf der Strecke zwischen Buxtehude und Cuxhaven der Zugbetrieb. Absichtserklärungen zum Kauf von 60 Zügen liegen auch von den Bundesländern NRW, Hessen und Baden Württemberg vor. Doch es müssen nicht unbedingt neue Triebwagenzüge sein. Die Fachhochschule Anhalt in Dessau erprobt ein kostensparendes Modell, bei dem eine Umrüstung alter dieselelektrischer Antriebe erfolgt, indem lediglich der Dieselmotor durch den Brennstoffzellenantrieb ersetzt wird [4.21]. Nicht nur für Nutzfahrzeuge, sondern auch für Pkw ist der zukünftige Einsatz von Brennstoffzellen vorgesehen. Die Fa. Bosch plant in Kooperation mit der Fa. Powercell PEM Brennstoffzellen für den Pkw-Antrieb für das Jahr 2022 [4.17]. Man rechnet damit, dass im Jahre 2030 weltweit 20 % der Pkw mit Brennstoffzellenantrieb fahren werden.

4.8.4

Wärmepumpen

Wärmepumpen sind elektrisch betriebene Arbeitsmaschinen, die Wärme aus einem Reservoir aufnehmen und zusammen mit der erzeugten Kompressionswärme in ein Heizsystem abgeben. Das Reservoir kann die Umgebungsluft sein. Man spricht dann von einer Luft-Wärme-Pumpe. Kommt die primäre Wärme aus dem Boden, handelt es sich um eine Erdwärme-Pumpe. Der Kompressorantrieb erfolgt über einen 3-PhasenWechselstrommotor. Die Leistungszahl ε nach DIN EN 255 einer Wärmepumpe ergibt sich aus dem Quotient der in den Heizkreislauf abgegebenen Wärmemenge QH und der dazu aufzuwendenden elektrischen Energie W zu:

58

4 – Energiekonvertierungen

𝜀=

𝑄𝐻⁄ 𝑊 Gl. 4.36

Sie liegt typischerweise bei 3 ≤ ε ≤ 6 und hängt vom unteren und oberen Temperaturniveau, Tw und Tk, ab. Die theoretisch maximal erreichbare Leistungszahl εmax einer Wärmepumpe ist entsprechend dem Carnotschen Wirkungsgrad ηc begrenzt: 𝑇 𝜀𝑚𝑎𝑥 = 1⁄𝜂𝐶 = 𝑊⁄(𝑇 − 𝑇 ) > 3 𝑊 𝐾 Gl. 4.37

Neuerdings versucht man die Restwärme in Abwasserkanälen als Quellenergie zu nutzen. In Amstetten, einer Gemeinde mit ca. 104 Einwohnern, erprobt die Fa. Ochsner die Wirtschaftlichkeit einer Kanalwärmenutzung. Besondere Bedeutung kommt der Nutzung von Wärmepumpen für zukünftige Ökostromüberschüsse zu. Sie bieten den derzeit größten Umweltnutzen in Bezug auf Treibhausgasreduktion durch Einsparung fossiler Energieträger [4.20]. Während bei Einsatz von Power-to-Gas-Anlagen von 1 kWh elektrischer Energie nur 0,24 bis 0,84 kWh als nutzbare Wärmeenergie übrig bleiben, machen Wärmepumpen mit der gleichen Energiemenge zwischen 3 und 4,5 kWh Heizenergie verfügbar. Damit liegt die Energieeffizienz von Wärmepumpen bei dem 4 bis 19-fachen von Power-to-Gas-Anlagen. Der Wirkungsgrad bei der Power-to-Heat-Konvertierung beträgt fast 100 %. Tab. 4.13 gibt eine Übersicht über einige größere Heizwerke in Deutschland. Eine zentrale Fernwärmeversorgung stellt gegenüber kleinen individuellen Wärmeerzeugern die ökologisch effektivere Wärmequelle dar. Tab. 4.13: Fernwärmeerzeugung mit Industriewärmepumpen (Stand 2019)

Betreiber Stadtwerke Stadtwerke Heizkraftwerk Vattenfall

Ort Kiel Münster Altbach bei Esslingen Heizwerk Reuter

thermische Leistung im MW 30 22 2 ∗ 50 120 (Fertigstellung 2020)

In Dänemark sind Windparkanlagen mit Wärmepumpen von 30 MW gekoppelt. Insgesamt ist bisher eine Leistung von 350 MW installiert. Weitere Anlagen mit 450 MW Leistung sind geplant bzw. bereits im Bau.

Literatur [4.1] W. Presting: Kleines Handbuch der Wachsindustrie. VEB Wilhelm Knapp Verlag Halle (1958) S. 5

59

[4.2] N. Armaroli, V. Balzani, Towards an electricity-powered world. In: Energy and Environmental Science 4 (2011), S. 3197 [4.3] A. Jossen, W. Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Prityourbook (2006) ISBN 078-3-939359-11-1 [4.4] J. O. Besenhard: The Electrochemical Preparation and Properties of Ionic Alkali Metal. Carbon 14 (1976) S. 111 [4.5] W. Winkler: Brennstoffzellenanlagen. Springer (2002) S. 14 – 22 ISBN 978-3-54042832-9, [4.6] B. Adler: Strategische Metalle – Eigenschaften, Anwendung und Recycling. Springer Spektrum Heidelberg (2017) S. 65 ISBN 978-3-662-53035-1 [4.7] E. Riedel, Chr. Janiak: Moderne Anorganische Chemie, 2. Auflage, De Gruyter Oldenbourg (2003) ISBN 978-3-11-035526-0 [4.8] A. Varone, M. Ferrari: Power to liquid and power to gas: An option for the German Energiewende. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 45 (2015), 207 – 218, [4.9] O. Madelung, M. Schulz, H. Weiss: Semiconductors … In Landolt-Börnstein Group III, Condensed Matter.17c. Springer Berlin (1984) S. 1961 – 1964 [4.10] R. Marschall: Mit Sonnenlicht zum Wasserstoff. Nachrichten aus der Chemie 63 (2015) S. 631 – 635 [4,11] F. E. Osterloh, Nanoscale Effects in Water Splitting Photocatalysis, Top. Curr. Chem. (2015) doi:10.1007/128_2015_633 [4.12] J. O. Löfken: Mehr Strom aus heißen Abgasen, http://www.weltderphysik.de (2019) [4.13] W. Zöller: Auf großer Fahrt. MZ (2.7.2019) [4.14] Volkswagen Modellbroschüre (2018) [4.15] Produktdatenblatt VW e-Golf: http://www.stromschnell.de/elektroautos [4.16] A. Karle: Elektromobilität: Grundlagen und Praxis. C. Hanser München (2016) ISBN 978-3-446-45657-0 [4.17] J. O. Löfken: Mehr Strom aus heißen Abgasen. https://www.weltderphysik.de /gebiet/technik (2014) [4.18] Th. Elwert: Abfälle der Zukunft. Komponenten der Elektromobilität. Vortrag Rewimed Symposium TU Clausthal (2015) [4.19] S. Schlemmer-Kaune, et al.: Die Zu(g)kunft beginnt in Niedersachsen. In: Alstom Press Centre. Alstom, (11/ 2017) [4.20] A. Sternberg, A. Bardow: Power-to-What? – Environmental assessment of energy storage systems. In: Energy and Environmental Science 8, (2015), S. 389 – 400

5

Energiespeicher

Nach Abschalten der Kernkraft- und Kohlekraftwerke bleiben von der im Jahre 2018 erzeugten Elektroenergiemenge von 541 TWh noch 158 TWh an grundlastfähigem Energiepotenzial bestehen (Tab. 5.1, Zeilen 1 und 2). Die eigene Pumpspeicherkapazität im Lande ist topologiebedingt gering und kaum noch ausbaufähig (Tab. 5.1, Zeile 3). Über das Seekabel „Nordlink“ wird eine Verbindung mit den Pumpspeicherwerken in Norwegen angestrebt. Die Kapazität ist auf 34 TWh konzipiert. Die Überbrückung einer befürchteten Dunkelstromflaute würde nur bei der Dauer von einer Woche etwa 9 bis 10 TWh benötigen (Tab. 5.1, Zeile 5). Eine Speicherkapazität dieser Energiemenge sollte im eigenen Land durch Aufbau von elektrischen Energiespeichern vorgehalten werden. Der gleichzeitige Aufbau der E-Mobilität verlangt jedoch die Bereitstellung von zusätzlicher Elektroenergie. Rechnet man den Verbrauch an Benzin- und Dieselkraftstoff aus dem Jahre 2016 in die entsprechende Strommenge um, wären z. B. weitere 450 TWh notwendig (Tab. 5.1, Zeile 6). Natürlich könnte man durch intelligente Ladesysteme zukünftig auch die Akkus der Autos als Energiespeicher nutzen. Unbestritten verlangt die zukünftige Energieversorgung ein komplexes Energiemanagement. Tab. 5.1: Versorgungssituation Deutschland 2018

Aktivität Gesamtenergieverbrauch 2 grundlastfähige, nicht kohlegebundene Energie (Erdgas, Biogas, Hausmüll, Wasserkraft) 3 Pumpspeicherkapazität 4 Seekabel Nordlink 5 eine Woche (168 h) Dunkelstromflaute 6 zukünftige E-Mobilität 1

7

denkbares maximales Gesamtdefizit

5.1

Menge in TWh 541 158

Bemerkung im Jahre 2018

0,04 34 9,525 ca. 450

belanglos techn. Parameter Benzin- und Dieseläquivalenter Verbrauch 2016

383 + 450

Native Energiespeicher

Die bisher genutzten fossilen Primärenergien aus Erdgas, Erdöl, Stein- oder Braunkohle entstanden vor Millionen Jahren und sind letztlich gespeicherte Sonnenergie. Dieser Vorgang der Konvertierung und Speicherung von Sonnenenergie findet in den großen Wäldern in Form der Holzbildung bei Bäumen auch heute noch statt. Man könnte die fossilen Energieträger auch als eine Art Langzeitspeicher betrachten. Die Vorräte sind jedoch endlich. Als Kurzeitspeicherung von Sonnenenergie kann die Erwärmung tropi-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 B. Adler, Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60688-9_5

62

5 – Energiespeicher

scher Randmeere oder das Aufheizen von Steinen in Weinbergterrassen angesehen werden. Eine Form der Kurzzeitspeicherung droht derzeit durch den Ausstoß großer Mengen von Klimagasen in eine Langzeitspeicherung umzuschlagen. Gase oder Dämpfe von IRaktiven Molekülen, wie CO2, NOx, oder H2O-Dampf absorbieren Wärme (Kap. 7.1). Die Atmosphäre wird damit zu einem Langzeit-Wärmespeicher. Ein solcher Prozess kann in einer Klimakatastrophe enden. Deshalb muss man die Emission der Klimagase drastisch reduzieren, mithin zu einer Defossilisierung der Energiewirtschaft kommen. Aber regenerative Energien aus Wind- und Solaranlagen entstehen fluktuierend. Deshalb stellt der Aufbau von technischen Energiespeichern eine lebenswichtige Aufgabe zur Bewältigung der Energiewende dar.

5.2

Technische Parameter von Kurz- und Langzeitspeichern

Von der Zeitdauer der Speicherung unterscheidet man auch bei technischen Speichern Kurz- und Langzeitspeicher. Beträgt die Zeit der Ausspeicherung < 24 h, handelt es sich um einen Kurzzeitspeicher. Bei Langzeitspeichern liegt die Ausspeicherzeit bei mehreren Tagen. Vom Mechanismus der Speicherung lassen sich die technischen Speicher in mechanische (m), chemische (ch), elektrische (e) oder thermische Speicher (th) klassifizieren. Zu den elektrischen Speichern gehören u. a. die (Super)Kondensatoren (Tab. 5.2, Spalte 2) [5.1]. Bei Stromzufuhr laden sie sich auf und speichern eine bestimmte Menge an E-Energie. Als mechanische Speicher dienen neben den Pumpspeicherwerken auch die Schwungradspeicher oder die Druckluftspeicher. Während die erstgenannten die potenzielle Energie des in die Höhe gepumpten Wassers zur Energiegewinnung nutzen, basiert die Speicherung bei den Schwungradspeichern auf Nutzung der kinetischen Energie (Tab. 5.2, Spalte 3). Das Speicherprinzip von Akkus beruht auf elektrochemischen Redoxreaktionen (Tab. 5.2, Spalte 4). Wirkprinzip thermochemischer Speicher sind chemische Prozesse mit erheblicher Wärmetönung. Typische Leistungsparameter der genannten Speicher sind neben der Energiedichte, die Zyklenzahl der Lade- und Entladevorgänge, die Speichereffizienz sowie die Kosten für gespeicherte kWh (Tab. 5.2, Zeilen 1 bis 4). Tab. 5.2: Vergleich von Energiespeichern an ausgesuchten Parametern

Parameter

Kondensator (e)

Schwungrad (m)

Batterie (ch)

Energiedichte in Wh/kg 2 Speicherzyklen 3 Effizienz in % 4 Kosten in €/kWh

0,01 bis 0.1 1 Mio. > 95 10 bis 20

< 50 1 Mio. < 95 1

10 bis 100 > 1000 70 bis 85 0,08

1

1

2

3

4

Große Speichereinheiten werden auch als Speicherkraftwerke bezeichnet. Dabei handelt es sich meist um Pumpspeicher-Wasserkraftwerke (Tab. 5.3, Zeile 1), neuerdings um Naturstromspeicher in Kombination mit Windkraftanlagen (Tab. 5.3, Zeile 2 und 3). Ihre

63

Speicherkapazität liegt im GWh-Bereich. Bei Power-to-Gas-Anlagen misst man die Speicherkapazität in Nm3 des erzeugten H2 oder CH4 (Tab. 5.3, Zeile 4). Tab. 5.3: Speicherkraftwerke

1

Speichertyp Pumpspeicher m)1

2

Naturstromspeicher Wind/Pumpspeicher (m) 3 Kugelspeicher Wind/Pumpspeicher (m) 4 Power-to-Gas (ch) Biogas/H2-Elektrolyse 5 Redox-Flow-Batterie (ch) 6 Li-BatteriespeicherKraftwerk (ch)

Speicherort Wasser, Höhenunterschied Wasser, Höhenunterschied Wasser, Höhenunterschied

Beispiel Nordlink Norwegen/Schweden Deutschland Gaildorf/Kocher

Kapazität TWh 40 GWh (einmalig) 42 GWh/a

Bodensee, später Nordsee

in Erprobung

Gasspeicher in Salzkaverne

Werlte

> 1 Mio, Nm3 CH4

Batteriespeicher in Salzkaverne beliebig

Jemgum

0,7 GWh (einmalig)

Australien Schwerin

130 MWh (2017) 15 MWh (2017)

In Salzkavernen bei Jemgum in Ostfriesland ist ein elektrochemischer Langzeitspeicher, bestehend aus elektrisch leitenden Polymeren im Aufbau (Tab. 5.3, Zeile 5). Seine Kapazität soll nach Fertigstellung im GWh-Bereich liegen. Die Kapazität bisheriger LiIonenspeicher liegt dagegen nur im MWh-Bereich (Tab. 5.3, Zeile 6).

5.3

Mechanische Energiespeicher

5.3.1

Pumpspeicherwerke

Die Effizienz von Pumpspeicherwerken liegt bei ca. 75 bis 80 %. Die Energieverluste entstehen durch Reibungsverluste in den Druckrohren bzw. beim Stromtransport vom Energieerzeuger zum Pumpspeicherwerk. Tab. 5.4: Leistung und Kapazität von Pumpspeicherwerken in Deutschland [5.2]

Name Goldisthal/Thüringen Markersbach/Sachsen Schluchsee/BW Waldeck II/Hessen Hohenwarte/Thüringen Niederwartha/Sachsen

Leistung in MW 1060 1050 980 480 320 120

Speicherkapazität in MWh 8480 4019 6073 3428 2087 591

64

5 – Energiespeicher

Das erste deutsche Pumpspeicherwerk wurde in Walchensee im Jahre 1924 mit einer Kapazität von 300 MWh in Betrieb genommen. Sechs Turbinen brachten eine Leistung von 124 MW. Das Pumpspeicherwerk war über eine Stromtrasse mit den Kraftwerken im Mitteldeutschen Braunkohlenrevier verbunden. Im Jahre 2017 gab es in Deutschland 32 Pumpspeicherwerke mit einer Gesamtleistung von 7 GW und einer Speicherkapazität für 40 GWh (Tab. 5.4). Ein Aufbau weiterer Pumpspeicherwerke stößt wegen des Flächenverbrauches zunehmend auf Kritik. Deshalb nutzt man das Speicherpotenzial benachbarter Länder. So baut man zum Beispiel in Kooperation mit dem Königreich Norwegen die Seekabelverbindung „Nordlink“ durch die Nordsee auf (vgl. Kap. 3.4.2).

5.3.2

Kugelpumpspeicher

Das Problem des Geländeverbrauches von Pumpspeicherkraftwerken lässt sich vermeiden, wenn man die Speicher im Meer und damit am Ort des Offshore-Windparkes auf dem Meeresgrund in Form von Betonhohlkugeln installiert. Das obere Speicherreservoir bildet die Meeresoberfläche. Bei Energieüberschuss presst man mit Luft das Wasser aus der Betonhohlkugel, bei Energiebedarf strömt Meerwasser in die Kugel und treibt die Turbine zur Stromgewinnung an. Man rechnet, dass die Energie eines Windrades in einer Kugel von 30 m Durchmesser mehrere Stunden gespeichert werden könnte und letztlich bei Windflaute aus dieser Hohlkugel 20 MW an E-Energie zurückzugewinnen sind. Testläufe mit Betonhohlkugeln finden seit 2016 im Bodensee bei Überlingen statt. Kugelpumpspeicher in einer Tiefe von 500 bis 800 m könnten wirtschaftlich arbeiten [5.3].

5.3.3

Pumpspeicherwerk Gaildorf

Eine Kombination von regenerativer E-Energie-Erzeugung und Speicherung ist Ende 2017 in Gaildorf am Kocher in Betrieb gegangen. Auf einer Anhöhe der Limpurger Berge, 500 m hoch gelegen, sind vier Windräder mit je 3,4 MW Nennleistung installiert. Die Betonschäfte der Windräder werden von wassergefüllten Betonwannen umgeben. Bei Energieüberschuss pumpen die Windräder aus dem Kocher Wasser auf die 200 m höher gelegene Anhöhe. Bei Flaute können 16 MW durch Ablassen der gespeicherten Wassermenge an E-Energie zurückgewonnen werden. Die Jahresstromerzeugung ist auf 42 GWh konzipiert [5.4]. Dieser Naturstromspeicher nutzt die ausgezeichneten Geländegegebenheiten von Anhöhe, Fallhöhe und Wasserverfügbarkeit.

65

Abb. 5.1: Prinzipskizze von Windrad und Pumpspeicher in Gaildorf am Kocher

5.3.4

Schwungradspeicher

Das Wirkprinzip der bisher beschriebenen mechanischen Speicher basierte auf der Umwandlung von elektrischer in potenzielle, mechanische Energie. Der Schwungradspeicher wandelt E-Energie in mechanisch-kinetische Energie. Beim Speichern wirft ein Elektromotor die Drehbewegung der Schwungmasse an, bei Energieentnahme treibt die gespeicherte kinetische Energie den Elektrogenerator zur Stromerzeugung. Die kinetische Energie eines rotierenden Körpers, auch als Rotationsenergie bezeichnet, ergibt sich aus seiner Masse und der Drehgeschwindigkeit zu: 𝐸𝑟𝑜𝑡 = 1⁄2 𝐼𝑍 ∗ ɷ𝟐 Gl. 5.1

wobei Iz das Trägheitsmoment um die Drehachse z ist: 𝐼𝑍 = 𝑚𝑖 ∗ 𝑟𝑖2 Gl. 5.2

mit: mi, ri Masse bzw. Abstand des Massepunktes i von der z-Achse, ɷ Winkelgeschwindigkeit. Der Rotor befindet sich in einem vakuumdichten Stahlgehäuse und ist durch einen starken Permanentmagneten Luftschlitz gelagert (Tab. 5.2). Das Magnetfeld aus Permanentmagneten von Seltenen Erdmetallen besitzt eine hohe Koerzitivfeldstärke. Durch

66

5 – Energiespeicher

diese technischen Anordnungen minimiert man den Reibungswiderstand der Schwungmasse. Der Rotor erreicht 45*103 Umdrehungen pro Minute. Dennoch tritt eine Selbstentladung von etwa 3 bis 20 % je Stunde auf.

Abb. 5.2: Prinzip eines elektromagnetischen Schwungrades

Die Lebensdauer des Schwungradspeichers beträgt ca. 20 Jahre bei ca. 105 Aufladungen. Die Fa. Stornetic ordnet in einem Container 16 Schwungradspeicher zu einer Batterie an. Diese Einheit eignet sich als Energiespeicher für kleine Windparks bzw. isolierte Windräder [5.5]. Im Unterschied zu früheren technischen Schwungrädern, die eine Energiespeicherung mittels großer Massen realisierten, favorisiert man heute carbonfaserverstärkte Epoxidharze als Rotorenmaterial für die Speicherung von sehr hohen Drehbewegungen. Diese technische Lösung arbeitet effizienter als die Verwendung großer Massen, denn die gespeicherte Energie wird gemäß Gl. 5.1 vom Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit bestimmt.

Abb. 5.3: Schwungradspeicher der Zwickauer Straßenbahn

67

Die bis 1960 in der Schweiz betrieben Gyrobusse mit Schwungradantrieb führten die Schwungmasse mit sich [5.6]. Bei Fahrzeugen mit Oberleitung kann man dagegen die Schwungradspeicher zentral, d. h. nicht in den Fahrzeugen selbst, anordnen (Abb. 5.2). So spart u. a. die Stadt Zwickau bei ihrem Straßenbahnbetrieb jährlich ca. 200 MWh durch Rückgewinnung der Bremsenergie ihrer Straßenbahnen [5.7].

5.3.5

Druckluftspeicher

Bei Druckluftspeichern verpresst man in eine Salzkaverne bei Überschuss an E-Energie Luft adiabatisch mit einem Druck von 50 bis 70 bar. Bei Energiebedarf wird die Kaverne entspannt. Dabei strömt die Luft über eine Gasturbine. Um die Vereisung der Turbinenschaufeln beim adiabatischen Entspannen zu vermeiden, wird die Druckluft mit Erdgas vermischt und das Gemisch verbrannt. Die heißen Abgase geben an einem Abhitzekessel ihre restliche thermische Energie ab und erzeugen Wasserdampf, der eine zweite nachgeschaltete Turbine antreibt. Letztlich handelt es sich um ein CAES-Kraftwerk. Die Energiedichte in der Kaverne beträgt ca. 1 bis 2 kWh/m3, der Wirkungsgrad liegt bei 50 %. Nutzt man noch die bei der Kompression der Luft beim adiabatischen Einpressen in die Kaverne entstehende Wärme, kann der Wirkungsgrad auf etwa 55 % gesteigert werden. Ein Druckluftspeicherkraftwerk arbeitet in Huntort bei Elsfleth an der Unterweser. Es besitzt eine Leistung von 321 MW. Die Energie von CAES-Kraftwerk ist bei Strombedarf schnell verfügbar.

5.4

Thermische Speicher

Ein Körper oder Stoffsystem kann Wärme auf zwei Arten aufnehmen und speichern. Einmal spricht man von „fühlbarer“ oder sensibler Wärme, die ein Körper bei Energiezufuhr aufnimmt; seine Temperatur steigt an. Die nutzbare Wärmemenge ergibt sich dabei aus dem Produkt seiner spezifischen Wärme multipliziert mit der Temperaturdifferenz von Anfangs- und Endtemperatur. Zum anderen können Stoffe bei Phasenübergängen, z. B. beim Schmelzen oder Verdampfen die Schmelz- bzw. Verdampfungswärme aufnehmen. Bei Energieaufnahme ändert sich die Temperatur des Stoffes nicht. Diese Wärme nennt man latente Wärme. Beide Wärmen lassen sich zur Speicherung technisch nutzen. Die spezifische Wärmekapazität eines Körpers ergibt sich zu: 𝑐=

Δ𝑄⁄ 𝑚 ∗ Δ𝑇 Gl. 5.3

mit: ∆Q aufgenommene bzw. abgegebene Wärmemenge, ∆T = TE – TA Differenz von End- und Anfangstemperatur, m Masse des Körpers.

68

5 – Energiespeicher

Die spezifische Wärmekapazität wird in J/kg K angegeben. Für einen homogenen Körper, z. B. H2O, gilt, dass die speicherbare oder abzugebende Wärmemenge Δ𝑄 = 𝑐 ∗ 𝑚 ∗ Δ𝑇 Gl. 5.4

ist, wenn c im betrachteten Temperaturintervall ∆T als konstant angenommen wird. Beim Laden des Speichers ist eine höhere Temperatur erforderlich, als beim Entladen entnommen werden kann. Tab. 5.5: Sensible Wärmespeicher bei Aufnahme von 8,61 kWh [5.8]

Stoff(system) 1

1

H2O Keramik 3 Schamottesteine 4 Zeolith (wasserhaltig) 2

Menge in kg

Bemerkung

2

93 55 26 54

3

TA = 20 °C, TE = 100 °C TA = 20 °C, TE = 600 °C TA = 20 °C, TE = 1200 °C TA = 20 °C, TE = 150 °C (bei Abgabe von 9 kg H2O)

Mit 8,61 kWh, das entspricht einer Primärenergie, die beim Verbrennen von 1 l Benzin entsteht, lassen sich die Tab. 5.5 aufgeführten Stoffe bzw. Stoffsysteme von TA 20 °C auf die jeweilige Endtemperatur TE bringen (Tab. 5.5, Spalte 3). Technisch nutzt man die genannten Stoffe in Form von Warmwasser- bzw. Wärmestromspeichern. Tab. 5.6: Latentwärmen ausgesuchter Stoffe und Stoffsysteme

Stoff(Systeme) 1

2

H2O

Hartparaffin Al/Si-Legierung 4 Li, K(Na)MgNitrate ∗ 6 H2O 3

latente Wärme in kJ/kg 333 (Schmelzwärme) 240 (Schmelzwärme) 577 (Phasenwechsel) (Schmelzwärme)

Bemerkung bei 0 °C, technisch nicht nutzbar! bei 60 °C Hochtemperaturspeicher bei 65 – 69 °C einstellbar für Fahrzeugheizungen

69

Abb. 5.4: Wärmekapazitäten von Wasser und Hartparaffin

Als Latentwärmespeicher dienen die in Tab. 5.6, Zeilen 2 bis 4 aufgeführten Stoffe. In Abb. 5.4 ist die Einwirkung bei Energiezufuhr beim Wasser und Hartparaffin abgebildet. Hartparaffin besteht aus einem Gemisch gesättigter aliphatischer Kohlenwasserstoffe, das im Temperaturintervall zwischen 55 und 65 °C schmilzt. Dazu muss Energie der Stoffmischung zugeführt werden, eben die latente Wärme. Wasser behält im betrachteten Temperaturintervall den Aggregatzustand „flüssig“, kann bei Energiezufuhr nur fühlbar wärmer werden. Interessant ist die hohe Wärmekapazität in einem engen Temperaturbereich bei der Speicherung der Latentwärme beim Hartparaffin (in Abb. 5.4, gelbe Fläche). Für die technische Nutzung sowohl der sensiblen Wärmespeicher als auch der Latentwärmespeicher sind neben den Arbeitstemperaturen die Speicherzeiten, die Energiedichten, die technische realisierbaren Speicherkapazitäten und die Investitionskosten von Interesse. Die Speicherdichte Q beträgt: 𝑄 = 𝜌 ∗ 𝑐𝑝 Δ𝑇/3600 Gl. 5.5

mit: ρ spezifische Dichte in kg/m3, cp isobare Wärmekapazität in kJ/kg K und ∆T = TA TE. Nach Gl. 5.5 ergibt sich z. B. die thermische Speicherkapazität eines 500-LiterWasserboilers bei einer angenommenen Temperaturdifferenz von 45 K aus der Wärmekapazität des Wassers mit 4,187 kJ/kg K und der Wasserdichte von 1 kg/l zu: 500 𝑘𝑔 ∗ 4,187

𝑘𝐽 𝐾 𝐾 ∗ 45 = 36,2 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑔 3600 𝑠 Gl. 5.6

70

5 – Energiespeicher

Die Energiedichte eines Latentwärmespeichers ergibt sich aus der Schmelzwärme L und der Dichte zu: 𝑄 = 𝜌 ∗ 𝐿/3600 Gl. 5.7

mit: L Schmelzwärme in kJ/kg. Die Größe 3600 im Nenner der Gl. 5.5 bzw. Gl. 5.6 ergeben sich aus der Umrechnung von Ws in Wh.

5.4.1

Sensible Speicher

5.4.1.1

Warmwasserspeicher

Derzeit dürfte der Warmwasserspeicher als Energiereservoir dominieren. Diese Speicher werden meist in unmittelbarer Nähe zu Heizkraftwerken errichtet. Die Speichervolumen variieren zwischen 8*103 bis 50*103 m3 (Tab. 5.7). Dabei lassen sich Wärmemengen im GWh Bereich zur Fernwärmeversorgung speichern. Der Warmwasserspeicher der EVH in Halle wird zur Fernwärmeerzeugung genutzt und zur Speicherung mit überschüssigem Solarstrom betrieben. Durch Turbulenzen beim Befüllen und Ausfahren der Wasserbehälter werden die theoretisch denkbaren Energiedichten nicht ganz erreicht. Auch die Speicherdauer von theoretisch 107 s liegen meist um zwei Zehnerpotenzen niedriger [5.8]. Tab. 5.7: Warmwasserspeicher zur Fernwärmeversorgung

Ort Salzburg 2 Halle 3 Mannheim 4 Berlin 5 Krems 1

Werk Heizkraftwerk Nord Energieversorger EVH MVV Mannheim Vattenfall AG Kraftwerk Theiß

Kapazität 27*103 m3 1,1 GWh 8*103 m3 43*103 m3 60*103 m3 2,5 GWh 50*103 m3 2 GWh

71

Abb. 5.5: Parameter von Warmwasserspeichern

5.4.1.2

Wärme-Strom-Speicher

Anstelle von Wasser kann man zur Wärmespeicherung auch eine Schüttung von Natursteinen oder Beton nutzen. Die Idee stammt aus Großmutters Zeiten, die abends vor dem Zubettgehen einen Wärmstein in die Ofenröhre des Kachelofens legte und mit dem heißen Stein das Bett vorwärmte. Großtechnisch wird die Wärmesteinspeicherung in Form des von Cowper erfundenen Winderhitzers in den Hüttenwerken seit 1857 genutzt. Im Hamburger Hafen ist im Frühjahr 2019 ein Wärmestromspeicher bestehend aus Natursteinen mit einem Volumen von 2*103 m3 in Betrieb genommen worden [5.9]. Die Steine in einer gut isolierten Halle werden mit einem riesigen Föhn auf 600 °C erwärmt. Aus der Wärme kann bei Windflaute über einen Dampferzeuger elektrischer Strom mit einer Kapazität von 30 MWh zurückgewonnen werden. Die Speicherung mit Steinschüttungen besitzt im Dauerbetrieb den Vorteil gegenüber Speichern mit Flüssigkeiten oder geschmolzenen Salzen, korrosionsbeständig zu sein.

5.4.2

Latentwärmespeicher

Die Phasenumwandlungsenthalpie ist im Vergleich zur Wärmekapazität eines Wärmebades relativ hoch. So beträgt z. B. für Wasser die Schmelzenthalpie 334 kJ/kg, die spezifische Wärmekapazität ca. 4,19 kJ/kg K. Die Latentwärme des Wassers ist jedoch bei einer Schmelztemperatur von 0 °C technisch nicht nutzbar, weil der Temperaturbereich viel zu niedrig liegt. Als Latentwärmespeicher eignen sich viel mehr Stoffe oder Stoffsysteme mit Schmelztemperaturen zwischen 40 °C bis 70 °C und hoher Schmelzwärme [5.10], z. B. das bereits erwähnte Hartparaffin (Abb. 5.4). Die Wärmefreisetzung beim Erstarren ist zwar etwa ein Drittel geringer als die von Wasser, dafür liegt sie aber in einem technisch gut nutzbaren Temperaturbereich.

72

5 – Energiespeicher

Eine latente Wärmespeicherung auf Hochtemperaturniveau kann durch Metalle oder Metalllegierungen realisiert werden. Ein Beispiel für ein metallisches Phasenwechselmaterial bietet eine Al/Si-Legierung mit einer Schmelztemperatur von 577 °C (Tab. 4.6, Zeile 3). Da der nutzbare Temperaturbereich bei der Hochtemperaturspeicherung zudem breit ist, kann bereits im sensiblen Bereich viel thermische Energie gespeichert werden. Aber auch die spezifische Schmelzenthalpie liegt bei diesem Material höher als bei Wasser oder Paraffin. Sie beträgt bei der Al/Si-Legierung 560 kJ/kg. Ein Konsortium von REW, DLR und der FH Aachen plant im Rahmen der Energiewende an einem Standort in NRW die Umrüstung eines Kohlekraftwerkes zu einem Wärmespeicherkraftwerk [5.11, 5.12]. Der Wärmespeicher soll für eine Kapazität von 700 bis 1000 MWh als Latentwärmespeicher mit K(Na)NO3 als Speichermedium arbeiten [5.13]. Die Vorteile liegen auf der Hand. Man kann einen Teil des Maschinenparkes vom Kohlekraftwerk für das Wärmespeicherkraftwerk weiter nutzen. Während die Wärmespeicher aufgebaut werden, erfolgt nur die Stilllegung der Kohleverbrennung. Später dient Strom aus Windenergie als Primärenergie zum Speichern. Neben dem bereits in Kap. 3.2.4 genannten Solarthermiekraftwerk in Marokko arbeitet auch im südspanischen Carboneras ein Solarthermiekraftwerk mit Latentwärmespeicher auf der Basis von K(Na)NO3. 14 t des Salzgemisches erlauben die Speicherung von 700 kWh an thermischer Energie. Die Temperatur des Wärmespeichers liegt bei 305 °C [5.13, 5.14]. In der Fahrzeugtechnik könnten zukünftig Latentwärmespeicher auf Salz- oder Paraffinbasis zum Einsatz kommen, um überschüssige Motorwärme zu speichern und diese beim Kaltstart freizusetzen. Dadurch muss die zum Heizen benötigte Energie nicht aus der Batterie entnommen werden, was notwendige Batteriekapazitäten reduziert.

5.5

Elektrochemische Energiespeicher

Das Prinzip der elektrochemischen Stromspeicherung mittels Akku wurde bereits im Kap. 4.4 abgehandelt: Durch eine chemische Redoxreaktion kann elektrische Energie in chemische und umgekehrt chemische Energie in Strom umgewandelt werden. Im Weiteren werden Beispiele der Aneinanderreihung von Akkus zu einer großen Batterie, den sogenannten Batteriespeicherkraftwerken, beschrieben.

5.5.1

Batteriespeicher-Kraftwerke

Die derzeitig installierten Batteriespeicherkraftwerke auf Basis von Li-Ionenbatterien besitzen eine Kapazität zwischen 10 bis 400 MWh (Tab. 4.8, Spalte 3). Sie dienen zur Notstromversorgung sensibler technischer Anlagen. Zunehmend werden Batteriespeicher im Verbund mit Wind- oder Solarstromerzeugern zur Speicherung von temporär überschüssiger E-Energie betrieben werden (Tab. 4.9).

73

Tab. 5.8: Batteriespeicherkraftwerke mit Li-Ionenbatterien

Firma/Inbetriebnahme

Land

Kapazität in MWh

1

2

3

BYD/ 2011 Tehachapipass/2013 Wemag/2014, 2017 ENERTARAG und ENEL/2018 Jardelund/2018 Southern California Edinson Project/2016

VR China USA BRD/Schwerin BRD/Cremzow Uckermark BRD/Flensburg Kalifornien/USA

36 32 10/15 38,4 50 400 (im Bau)

Tab. 5.9: Li-Ionenbatterien zur Speicherung regenerativer E-Energie

Land/ Provinz 1

China/Herbei USA/Kalifornien 3 BRD/Mecklenburg 4 BRD/RWE in NRW 2

5.5.2

Inbetriebnahme 2012 2013 2014 2015

Kapazität in [MWh] 36 8 5 4,5 bis 13,5

Speicherung von Wind- und Solarenergie Windenergie Windenergie Solarenergie

Redox-Flow-Speicher

Großvolumige, pumpfähige Elektrolytlösungen zur Stromspeicherung wurden zunächst mit Vanadiumionen ausprobiert. Als Elektrolytlösung diente Schwefelsäure. Der elektronenliefernde Prozess beim Aufladen besteht bei diesem Akku in der Oxidation von 4wertigem Vanadylsulfat zu 5-wertigen an der Anode: Anode: 𝑉𝑂2+ + 𝐻2 𝑂 ⇄ 𝑉𝑂2+ + 2𝐻 + Gl. 5.8

An der Kathode werden 3-wertige Vanadiumionen zu zweiwertigen reduziert: Kathode: 𝑉 3+ + 𝑒 − ⇄ 𝑉 2+ Gl. 5.9

Die Aggressivität der Lösung bereitet jedoch sowohl an den Pumpen als auch in der Zelle Korrosionsprobleme, letztlich auch Umweltprobleme. Sie lassen sich mit leitenden wässrigen Polymersuspensionen vermeiden (Tab. 4.10). Eigentlich handelt es sich bei hochpolymeren Stoffen um Nichtleiter (Tab. 3.12, Zeile 8). In selbstleitenden Polymeren können sich Ladungsträger jedoch dann frei bewegen, wenn ein konjugiertes π-

74

5 – Energiespeicher

Elektronensystem in der Polymerkette existiert. Die Leitfähigkeit ist umso höher, je langkettiger die Polymerstruktur ist. Eine Kette von 15 μm Länge besteht aus etwa 105 Monomereinheiten. Die Leitfähigkeit kann durch die Wahl des Lösungsmittels bzw. Lösungsmittelgemisches gesteigert werden. Tab. 5.10: Leitfähige Polymere [4.15]

Polymername 1

Polyanalin (PANI) Polypyrrol (Ppy) 3 Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) 4 Polystyrensulfonat (PSS) 2

Struktur -[-C6H4NH-]-n -[-C4H2NH-]-n -[-C4S(C2H4O2)-]-n -[CH2CH-]-n

Bemerkung

Lochleiter

C6H4SO3 – Na+

So erhöht die Zugabe von stark polarem DMSO in eine wässrige Suspension von PEDOT dessen Leitfähigkeit von etwa 2 S/cm auf 500 S/cm (Tab. 3.12, Zeile 5). Die Leitfähigkeit von Ppy lässt sich durch Zugabe von p-Toluolsulfonsäure steigern. Man bezeichnet in formaler Analogie zu den Halbleitern solche Zugaben auch als Dotierungen. Offensichtlich findet an den Kettenenden eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes statt, der durch Zugabe des polaren Lösungsmittels verringert werden kann. Zu einer Redox-Flow-Zelle (Abb. 5.6) gelangt man, wenn zwei unterschiedliche wässrige Polymersuspensionen durch Elektrolysezellen, auch Stack genannt, kontinuierlich gepumpt werden. Eine Membran trennt beide Kammern, sodass keine Vermischung der Elektrolyten, aber ein Ladungsaustausch möglich ist.

Abbildung 5.6: Prinzip eines Redox-Flow Speichers

Die chemisch unterschiedlichen Polymerlösungen heißen Katholyt bzw. Anolyt. Beim Aufladen gibt der Strom Energie an das Polymersystem ab. Der Katholyt wird oxidiert. Dem Anolyt werden diese Elektronen zugeführt. Er wird reduziert. Bei der Entladung kehrt sich der Redoxprozess, wie in Kap. 4.4.1 dargestellt, um. Entladen und Aufladen

75

erfolgen unter fortlaufendem Umpumpen beider Polymerlösungen. Deshalb nennt man die Anlage Redox-Flow-Anlage. In einem Gemeinschaftsprojekt der Fa. EWE in Oldenburg und dem Forschungsinstitut CEEC in Jena soll in Gaskavernen bei Jemgum an der Emsmündung das Projekt brine4power verwirklicht werden [5.16]. Geplant ist ein Redox-Speicher mit einer Kapazität von 700 MWh, eine Energiemenge für etwa 7,5*104 Haushalte. Die Kosten für die Speicherung sollen jenen von Pumspeicherwerken entsprechen. Die Energie kann über mehrere Monate gespeichert werden.

5.6

Chemische Energiespeicher

5.6.1

Gasometerspeicher

Bei der Konvertierung elektrischer Energie in chemische Produkte war auf die Produktion der Gase: Cl2, H2 bzw. C2H2 bereits eingegangen worden (Kap. 4.4). Diese chemischen Zwischenprodukte werden in Gasometern gespeichert. Die ersten industriell genutzten Gasspeicher entstehen mit der Leuchtgasproduktion bereits Mitte des 19. Jahrhunderts. Es sind Glockengasbehälter, in denen unter einer metallischen Glocke das Brenngasgemisch gespeichert wird. Dieses Gasgemisch, auch Leuchtgas genannt, besteht aus 51 % H2, 21 % CH4 und 9 % CO sowie in kleineren Mengen aus flüchtigen Kohlenwasserstoffen, N2, Wasserdampf und CO2. Zur Absperrung dient ein meist gemauerter Wasserbehälter, auf dem die Glocke schwimmt. Später entstehen mit dem Aufkommen der Hüttenwerke große Nassgasspeicher in Form von Scheibengasbehältern. Hierbei handelt es sich um Teleskopspeicher, deren einzelne Segmente von einem Wasser gefüllten Ringspalt abgeschlossen werden. Besondere Bekanntheit wegen seiner Größe erlangte der Speicher von Oberhausen mit einem Speichervolumen von 3,47*105 m3 Nutzvolumen und der Höhe von 117,4 m. Bei den genannten Speichern handelt es sich um Niederdruckgasbehälter mit 50 mbar Druck. Mitte der 50er-Jahre des 20. Jahrhunderts kommen Kugelgasbehälter zur Speicherung von Erd- und Flüssiggas auf. Sie arbeiten mit 10 bis 20 bar Überdruck.

5.6.2

Feststoff-Wasserstoff-Speicher

Neben Gasometern zur Wasserstoffspeicherung besteht die Möglichkeit, H 2 in Feststoffspeichern zu deponieren. H2 bildet mit verschiedenen Metallen Legierungen, u. a. mit SE-Metallen salzartige, feste Hydride, in denen der Wasserstoff den elektronegativen Teil und die SE-Metalle den elektropositiven Teil bilden (Tab. 5.11): 𝑆𝐸𝐻3 ⇄ 𝑆𝐸𝐻2+ + 𝐻 − Gl. 5.10

Technisch verwendet man SE-Ni-Legierungen, z. B. LaMg2Ni:

76

5 – Energiespeicher

𝐿𝑎𝑀𝑔2 𝑁𝑖 + 2𝐻2 ⇄ 𝐿𝑎𝑀𝑔2 𝑁𝑖𝐻4 Gl. 5.11

Auch Ni-Legierungen mit den Elementen Ce oder La, wie z. B. (Ce,La)Ni5 speichern wesentlich größere Mengen an H2, als Hohlkörper gleichen Volumens aufnehmen könnten. Die Volumenkontraktion in den Legierungen ist eine Folge der Ionenbindung zwischen den Metallen und dem H2. Die LaMg2Ni-Legierung stellt von allen bisher bekannten Reservoiren den sichersten H2-Speicher dar. Die Wasserstoffaufnahme des Metallschwamms ist mit einer Eigenschaftsänderung des Legierungsmaterials verbunden. Ist das Material vor der Aufnahme von H2 elektrisch leitend, stellt der Schwamm nach der H2-Aufnahme einen elektrischen Nichtleiter dar [4.6]. Diese Art der Wasserstoffspeicherung wird in der Fachliteratur auch als Metallhydridspeicher bezeichnet [5.18]. Tab. 5.11: SE-Legierungen zur Wasserstoffspeicherung

SE-Elemente 1

Ce/La 2 La

Legierung SENi5 LaMg2Ni

Durch Druckerniedrigung und leichte Wärmezufuhr kann der Wasserstoff aus diesen Verbindungen freigesetzt werden. Nachteil der H2-Feststoffspeicher ist ihre relativ hohe Masse. Denn die SE-Metalle besitzen eine dreimal höhere Masse als z. B. das Metall Fe. Vorteil der SE-Hydridspeicherung ist der geringe Speicherdruck und eine einfache Handhabung beim Transport und damit eine hohe Betriebssicherheit. Angewendet werden die SE-Hydridfeststoffspeicher u. a. in U-Booten der Klasse 212 A. Ein weiteres technisch nutzbares festes Hydrid aus SE-Metallen besteht in der komplexen Legierung aus den SE-Metallen La und Nd sowie Ni und Co. Dieses Material wird als NiMH-Akku für E-Autos genutzt. Die Bezeichnung M steht für die SE-Metalle La und Nd, die mit dem H2 salzartige Hydride bilden. Die Redoxreaktionen wurden bereits in den Gl. 4.11 bis Gl. 4.13 vorgestellt.

5.6.3

Gaskavernenspeicher

Befinden sich in der Nähe von Chemiestandorten Salzkavernen ehemaliger Kali- oder Steinsalzbergwerke, werden diese seit den 60er-Jahren zur Gasspeicherung genutzt, z. B. der Untergrundspeicher bei Teutschenthal zur Speicherung von Ethen für die Polyethylenproduktion in Schkopau oder als Erdgasspeicher (Tab. 5.12). Insgesamt beträgt die Kapazität der Erdgasspeicher in Deutschland 2*105 GWh, einem Vielfachen der Kapazität der Pumpspeicherwerke von nur 40 GWh (Tab. 5.1).

77

Tab. 5.12: Gaskavernenspeicher der Fa. VNG als Erdgasspeicher

Ort Bad Lauchstädt (Sachsen-Anhalt) Bernburg (Sachsen-Anhalt) Etzel (Niedersachsen) Jemgum (Niedersachsen)

Zahl der Kavernen 17 33 15 10

Arbeitsvolumen in Mio. Nm3 1085 978 115 149

Das Befüllen und Entleeren des Untergrandspeichers erfolgt durch Ein- oder Auspumpen einer Salzsole, die in einem oberirdischen Speicherbecken gelagert wird. Neu sind Projekte, solche Kavernen zukünftigen auch zur Speicherung von Wasserstoff einzusetzen. Die Fa. VNG unternimmt im HYPOS-Projekt dazu erste Arbeiten in Bad Lauchstädt bei Merseburg (Abb. 5.6). Der Bau der H2-Kavernen erfolgt durch Auslaugung der Zechsteinformation. Die Kavernen liegen in einer Tiefe von 800 bis 1000 m. Es werden die ersten Gaskavernen für eine H 2-Speicherung in Europa sein. Der Standort bietet sich durch die Nähe zu den Chemiebetrieben von Leuna und Schkopau und vorhandene Gaspipelines als Energielager an.

Abb. 5.6: Modell für H2-Gaskavernen in der Zechsteinformation bei Bad Lauchstädt

In der Mitteldeutschen Region existiert ein H2-Pipeline-System, das die Chemiestandorte Rodleben, Bitterfeld, Leuna und Zeitz miteinander verbindet. Auch das Ruhrgebiet verfügt über ein H2-Netz von ca. 200 km Länge.

5.6.4

Thermochemische Speicher

Thermochemische Speicher basieren auf reversiblen chemischen Reaktionen. Ein Stoff oder Stoffsystem nimmt im Zustand A durch eine endotherme Reaktion eine bestimmte Wärmemenge auf und geht in den Zustand B über. Dieser Vorgang kann durch eine exotherme Reaktion rückgängig gemacht werden. Das System kehrt unter Wärmeabgabe aus dem Zustand B wieder in den Zustand A zurück:

78

5 – Energiespeicher

𝐴 ⇄ 𝐵 ± Δ𝑇 Gl. 5.12

Die Vorteile einer thermochemischen Speicherung liegen in der unbegrenzten Zyklenzahl, denn bei Wärmeaufnahme oder -abgabe ändert sich die chemische Struktur von A bzw. B nicht. Es findet zudem eine verlustfreie Speicherung statt, Thermochemische Speicher sind also als Langzeitspeicher geeignet. Tab. 5.13: Thermochemische Speicher

Stoff

Speichertemperatur in °C

Wärmekapazität in kWh/m3

1

2

3

1

Silicagel Zeolithe 3 Metallhydride 4 zum Vergleich H2O 2

40 bis 100 130 bis 300 280 bis 500 20 bis < 100

200 bis 300 Kap. 5.6.2 60

Ferner besitzen die Thermochemischen Speicher eine relativ hohe Wärmekapazität von 200 bis 300 kWh/m3. Sie liegt deutlich höher als die eines Warmwasserspeichers von nur 60 kWh/m3 (Tab. 5.13, Spalte 3). Als Speichermaterialien dienen Silicagel oder Zeolithe (Tab. 5.13, Zeilen 1 und 2). Diese Stoffe können eine relativ große Menge Wasser adsorptiv binden und reversibel wieder abgeben: +E

𝑆 + 𝑛𝐻2 𝑂 ⇄ 𝑆 ∗ 𝑁(𝐻2 𝑂)𝑎𝑑𝑠 -E

mit S Sorptionsmittel: Silicagel oder Zeolithe. Das Sorptionsgleichgewicht besitzt eine hohe Wärmetönung, mithin haben diese Adsorbentien auch eine hohe Wärmekapazität (Tab. 5.13, Spalte 3) Zudem sind Silicagel und Zeolithe feuerfest und gesundheitlich unbedenklich, sodass sie als Speichermaterialien gut geeignet sind und als Wärmequellen u. a. auch für Eigenheime eingesetzt werden können. Geladen werden sie entweder durch große externe Wärmequellen oder vor Ort durch Konvertierung von Photovoltaikstrom. Tab. 5.14: Metallhydride und ihre Verwendung

1

LiH

Verbindung

Herstellung 2 𝐿𝑖 + 𝐻2 ⟶ 2𝐿𝑖𝐻 (600 °𝐶)

2

NaH

2 𝑁𝑎 + 𝐻2 ⟶ 2 𝑁𝑎𝐻 (250 − 300 °𝐶)

3

LiAlH4 NaBH4 5 La0,8Nd0,2Ni1,5Co2,5Si0,1 4

𝐿𝑖𝐻 + 𝐴𝑙𝐶𝑙3 + 2𝐻2 ⟶ 𝐿𝑖𝐴𝑙𝐻4 + 3𝐿𝑖𝐶𝑙3 4𝑁𝑎𝐻 + 𝐵(𝑂𝐶𝐻3 )3 ⟶ 𝑁𝑎𝐵𝐻4 + 3𝑁𝑎𝑂𝐻3 Metallschmelze

Verwendung Ausgangsprodukt für LiAlH4 Ausgangsprodukt für NaBH4 Reduktionsmittel H2 für Brennstoffzellen Akku für E-Mobilität

79

In Kap. 5.6.2 wurde bereits auf Verfahren zur Wasserstoffspeicherung in Form fester SEMetallhydriden eingegangen. Der Wasserstoff kann nicht nur mit SE-Metallen, sondern auch mit den Alkali-Metallen Li und Na sowie die Doppelhydride mit Al und B Hydride bilden – Verbindungen, die ebenfalls reversibel zur Energiespeicherung nutzbar sind (Tab. 5.14). Lithiumwasserstoff entsteht durch Umsetzung der Elemente (Tab. 5.14, Zeile 1). Mit 2,8 m3/kg ist es der leichteste Feststoff-Wasserstoffspeicher. Die Freisetzung des H2 erfolgt bei Zugabe von H2O: 2 𝐿𝑖𝐻 + 𝐻2 𝑂 ⇄ 𝐿𝑖2 𝑂 + 𝐻2 Gl. 5.13

Natriumborhydrid, auch als Natriumboran bezeichnet, entsteht durch Umsetzung von Borsäuremethylester mit Natriumhydrid: 𝐵(𝑂𝐶𝐻3 )3 + 4 𝑁𝑎𝐻 ⇄ 𝑁𝑎𝐵𝐻4 + 3 𝑁𝑎𝑂𝐶𝐻3 Gl. 5.14

Die Freisetzung des Wasserstoffs erfolgt durch Umsetzung des Hydrides mit Wasser: 𝑁𝑎𝐵𝐻4 + 2 𝐻2 𝑂 ⇄ 4 𝐻2 + 𝑁𝑎𝐵𝑂2 Gl. 5.15

Das Natriumborat kann mit Methanol wieder zu Borsäuremethylester umgesetzt werden, sodass der Kreislauf für das Recycling des Elementes B geschlossen ist. Das Natriumboran könnte zukünftig auch als Energiequelle für Brennstoffzellen eingesetzt werden [5.19]. Die bisher genannten Energie-Speicher-Prozesse verliefen einstufig. Energieaufnahme oder -abgabe erfolgten jeweils in einer Gleichgewichtsreaktion. Beim SolzincVerfahren arbeitet man mit zwei unterschiedlichen chemischen Reaktionen. Im ersten Schritt wird mittels Solarthermie Zinkoxid thermisch in Zn und Sauerstoff gespaltet: 𝑍𝑛𝑂 + Δ𝐸 ⟶ 𝑍𝑛 + 1⁄2 𝑂2 Gl. 5.16

Für diese Reaktion ist eine Temperatur von 1800 °C erforderlich. Durch Zugabe von bis zu 15 % C zum ZnO lässt sich die Reaktionstemperatur auf 1200 °C absenken: 𝑍𝑛𝑂 + 𝐶 + Δ𝐸 ⟶ 𝑍𝑛 + 𝐶𝑂 Gl. 5.17

Die Energierückgewinnung erfolgt, indem das Zn mit Wasser zu ZnO und H 2 sowie unter Freisetzung von Wärme reagiert:

80

5 – Energiespeicher

𝑍𝑛 + 𝐻2 𝑂 ⟶ 𝑍𝑛𝑂 + 𝐻2 + Δ𝐸 Gl. 5.18

Damit ist der Kreislauf für das Element Zn geschlossen. Die Reversibilität beschränkt +E1

𝑍𝑛2+ ⇄ 𝑍𝑛0 +E2 Gl. 5.19

sich also nur auf das Element Zn. Es geht unter Energieaufnahme aus der Oxidationsstufe Zn2+ in die Oxidationsstufe Zn0 über und speichert dabei Energie. Bei Energieabgabe erfolgt die Umkehrung des Redoxprozesses von Zn0 zu Zn2+. Da es sich um unterschiedliche chemische Reaktionen handelt, gilt E1 ≠ E2. Bei bisherigen Versuchen wurde ein Wirkungsgrad von 30 % erreicht. Ziel für eine technische Anwendung ist aber ein Wirkungsgrad von mindestens 60 % [5.17]. Der Vorteil dieses Thermochemischen Speichers besteht in der Beständigkeit und hohen Handhabungssicherheit des Zn-Metalls. In Erwägung zu ziehen wäre, den Reduktionsprozess gemäß Gl. 5.15 im Sonnengürtel der Erde, also in Äquatornähe auszuführen und per Schiff das reduzierte Zn zu den Verbrauchern zu transportieren. Der Energietransport ist gegenüber einer HGU (Kap. 3.4.2) oder dem Transport von flüssigem H2 allerdings etwas teurer. Ebenfalls nicht reversibel verläuft die Energiespeicherung und Freisetzung beim Calciumcarbid. Es entsteht elektrothermisch aus Calciumoxid und Koks im Carbidofen: 𝐶𝑎𝑂 + 3 𝐶 ⟶ 𝐶𝑎𝐶2 + 2 𝐶𝑂 Gl. 5.20

Die Reaktion könnte in Zukunft bei Überschuss an regenerativer Energie zur StromPufferung genutzt werden. In trockenen Silos ist Calciumcarbid gut lagerfähig. Die Freisetzung der Energie erfolgt durch Umsetzung mit Wasser unter Bildung von Ethin (Acetylen): 𝐶𝑎𝐶2 + 2 𝐻2 𝑂 ⟶ 𝐶2 𝐻2 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 Gl. 5.21

Ethin besitzt einen enorm hohen Heizwert von 57*120 kJ/Nm3, es ist aber unter Druck nicht lagerfähig. In der Sauerstoffflamme erreicht man Flammtemperaturen von 3200 °C. Dabei verbrennt das Gas zu CO2 und H2O: 2 𝐶2 𝐻2 + 5 𝑂2 ⟶ 4 𝐶𝑂2 + 2 𝐻2 𝑂 Gl. 5.22

81

Nachteilig bei diesem Speicher ist, dass sowohl bei seiner Synthese, dem Kalkbrennen als auch bei der Verbrennung des Ethins große Mengen an CO 2 gebildet werden.

Literatur [5.1] D. Oertel: Energiespeicher – Stand und Perspektiven. TAB Artikelbericht Nr. 123 (2/2008) [5.2] https://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherkraftwerk [5.3] www.haute-innovation.com/de/magazin/energie/kugelpumpspeicher [5.4] https://www.aloeus.de/pumpspeicherkraftwerk-naturstromspeicher-gaildorf (2017) [5.5] https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/dieses-schwungradspeichert-windenergie/ [5.6] Omnibus mit Schwungradantrieb. In: Der Deutsche Straßenverkehr. (12/1953) S. 192 – 193 [5.7] https://de.wikipedia.org/wiki/Schwungrad-Speicherkraftwerk [5.8] A. Thess, F. Trieb, A. Wörner, St. Zunft: Herausforderung Wärmespeicher. Physik Journal 14 (2015) S. 33 – 39 [5.9] https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/eine-batterie-aus-steinensoll-es-richten/ [5.10] Latente thermische Energiespeicher. In: M. Sterner, I. Stadler (Hrsg.): Energiespeicher – Bedarf, Technologie, Integration. Springer-Vieweg, 2. Auflage (2017) S. 598 – 610 ISBN 978-3-662-48892-8 [5.11] https://www.en-former.com/kohlekraftwerk-als-waermespeicher (22.3.2019) [5.12] https://www.bine.info/themen/news/ Chancen und Grenzen thermochemischer Speicher (14.7.2015) [5.13] N. Lotz, M. Neuschütz; Salzgemische zur Speicherung von Wärmeenergie – Phasenumwandlungswärme und ihre Anwendung DE 1999 146 065 (25.9.1999) [5.14] M. Heinz: Verwendung eines ternären Salzgemisches zur Wärmeübertragung und/oder als Wärmespeicher EP 0049 761 A1 (1981) [5.15] M. Rehan: Elektrisch leitfähige Kunststoffe. In: Chemie in unserer Zeit, 37(1), (2003) S. 18 – 30, [5.16] www.ewe-gasspeicher.de/home /b4p EWE Gasspeicher GmbH Oldenburg [5.17] U. Frommherz, et al.: Zink speichert Sonnenenergie. spectrum. 2 (2003) S. 4 – 11 [5.18] U. Eberle, M. Felderhoff, F. Schüth: Chemische und physikalische Lösungen für die Speicherung von Wasserstoff. In: Angewandte Chemie. 121 (2009) S. 6732 – 6757 [5.19] T. Kaz: Vorrichtung und Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Natriumborhydrid. DE10200604 (30.8.2006) [5.20] Thermochemische Energiespeicher. In: M. Sterner, I. Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologie, Integration, Springer-Vieweg, 2. Auflage (2017) S. 610 – 616 ISBN 978-3-662-48892-8

6

Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff

Zweifelsohne nimmt zukünftig die Wasserstoffherstellung bei der Konvertierung und Speicherung von E-Energie eine Schlüsselstellung ein („grüner“ H2). Derzeit wird die Hauptmenge des von der Wirtschaft benötigten H 2 jedoch noch über den sogenannten Dampfreforming-Prozess hergestellt („grauer“ H2). Dabei setzt man Erdgas mit H2ODampf zu CO und H2 um: 𝐶𝐻4 + 𝐻2 𝑂 ⇄ 𝐶𝑂 + 3 𝐻2 Gl. 6.1

Die Reaktion gemäß Gl. 6.1 ist stark endotherm. Deshalb muss die notwendige Reaktionswärme durch eine Teilverbrennung des CH4 zu CO aufgebracht werden: 2 𝐶𝐻4 + 𝑂2 ⇄ 2 𝐶𝑂 + 4 𝐻2 Gl. 6.2

Zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute konvertiert man das nach Gl. 6.2 gebildete CO zu CO2 und H2 (Wassergasgleichgewicht): 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝑂 ⇄ 𝐶𝑂2 + 𝐻2 Gl. 6.3

Ökologisch nachteilig ist die CO2-Bildung nach Gl. 6.3. Tab. 6.1: Verfahren der Wasserstoffherstellung

Verfahren Dampfreforming 2 Kvaerner-Verfahren 3 Chlor-Alkali-Elektrolyse 4 photokatalytische Synthese 5 Elektrolyse von H2O 1

Ausgangsstoffe CH4 Biogas, CH4 NaCl, Elektroenergie Elektroenergie, H2O Elektroenergie, H2O

Bemerkung CO2-Emission keine CO2-Bildung Kap. 4.4 Kap. 4.6.2 Kap. 4.4.3

Ein zweites Verfahren zur thermischen Herstellung von Wasserstoff ist das KvaernerVerfahren (Tab. 6.1, Zeile 2). Bei diesem Prozess erfolgt die Zerlegung der Kohlenwasserstoffe, z. B. CH4, mittels Plasmabrenner bei 1600 °C in die Elemente: 𝐶𝑛𝑀𝑚 + Δ𝐸 ⟶ 𝑛𝐶 +

𝑚 𝐻 2 2 Gl. 6.4

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 B. Adler, Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60688-9_6

84

6 – Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff

Das Verfahren liefert neben dem gewünschten H2 auch Aktivkohle und Heißdampf und besitzt einen sehr hohen Wirkungsgrad. Vorteilhaft gegenüber dem DampfreformingProzess ist vor allem, dass kein CO2 als Abprodukt anfällt. Die Chloralkali-Elektrolysen (Tab. 6.1, Zeile 3) liefern den H2 als Zwangsanfall bei der Herstellung von Cl2 bzw. NaOH (Kap.4.5). Der Elektrolysewasserstoff besitzt eine sehr hohe Reinheit und wird chemisch zum Hydrieren genutzt. Zum Beispiel wird der in Bitterfeld bei der ChlorAlkali-Elektrolyse erzeugte H2 über eine Gaspipeline ins 40 km nördlich liegende Hydrierwerk nach Rodleben geleitet und dient zur Hydrierung ungesättigter Fette und Öle. Die photokatalytische Wasserstoffgewinnung (Tab. 6.1, Zeile 4) befindet sich noch in der technischen Erprobungsphase. Die H2-Gewinnung durch H2O-Elektrolyse mit Brennstoffzellen (Tab. 6.1, Zeilen 5) ist gegenüber der H2-Gewinnung aus dem oben genannten Reforming-Prozess noch dreimal teurer. Gründe für diesen drastischen Kostenunterschied liegen sowohl in den derzeit relativ niedrigen Erdölkosten als auch im Fehlen einer CO2-Besteuerung in Deutschland. Doch eine CO2-Steuer wird zunehmend von verschiedenen Umweltverbänden gefordert. Würde sie eingeführt, wäre das für eine „grüne“ Wasserstoffgewinnung und Speicherung von Vorteil.

6.1

Power-to-X-Systeme

Unter der Bezeichnung Power-to-Gas versteht man die Konvertierung von E-Energie in Wasserstoff. H2 ist, wie bereits erwähnt, gut speicherbar. Deshalb kann man mit der Power-to-Gas-Technologie Langzeitspeicher aufbauen, die bei einem Anteil von 60 bis 70 % an regenerativer E-Erzeugung zwingend erforderlich werden, um temporäre Stromüberschüsse puffern zu können. Mit dem Reduktionsmittel H2 lassen sich verschiedene chemische Reduktionsprozesse betreiben. Eine solche Reduktion wäre z. B. die Umsetzung von CO2 im Biogas zu CH4. Das Brenngas CH4 kann verstromt oder zur Herstellung von Wärme, Power-to-Heat (PtH) genannt, dienen. Synthetisiert man mit Elektrolysewasserstoff flüssige Stoffe, spricht man auch von Power-to-Liquid-Prozessen (PtL). In Abhängigkeit der weiteren stofflichen Verwertung klassifiziert man diese Verarbeitungsstufen in Power-to-Fuel (PtF), wenn die gewonnenen Stoffe als synthetische Kraftstoffe Anwendung finden oder als Power-to-Chemical (PtC), falls sie als organische Zwischenprodukte in der Chemischen Industrie weiter verarbeitet werden (Abb. 6.1 und Abb. 6.2).

Abb. 6.1: Pt(X)-Konvertierung von E-Energie in chemische Energie

85

Mitunter verwendet man in der Fachliteratur auch die Bezeichnungen „P2X“ für oben genannte Konvertierungen.

Abb. 6.2: Applikationen für Power-to-X-Prozesse

Ob allerdings langfristig eine Rückverstromung von H 2 in E-Energie mittels reversibler Brennstoffzellen die ökonomisch sinnvollste Technologie darstellt, eine Energieversorgung auf der Basis von regenerativen Energien aufzubauen, scheint fraglich. Sie stellt zwar technisch im Moment die am leichtesten realisierbare Variante dar, betrachtet man jedoch die Energiekette mit den entropischen Verlusten, so ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von nur 42 % (Abb. 6.3). η=0,7

𝐄 𝐄𝐧𝐞𝐫𝐠𝐢𝐞

⟶

η=0,6

𝐇𝟐 ⟶

𝐄 𝐄𝐧𝐞𝐫𝐠𝐢𝐞 𝛈 = 𝟎, 𝟒𝟐𝐠𝐞𝐬𝐚𝐦𝐭

Entropieverluste TΔSi Abb. 6.3: Entropieverluste bei Verstromung von H2 mittels Brennstoffzelle

Der größere Anteil geht in Form von Enthalpie infolge der Überspannung des H2 an den Elektroden als Wärmeverlust verloren. Das heißt, eine Rückverstromung mit RFC bzw. URFC stellt bestenfalls eine Notfallvorsorge für kurzzeitige Stromausfälle dar. Dennoch rät ein Projektkonsortium des Fraunhofer Institutes den Kommunen, sich mit der Technik von Pt(G)-Anlagen zwecks Netzentlastung zu befassen [6.10, 6.11]. Die Fa. Sunfire bietet auf der Basis der Feststoffoxid-Brennstoffzellen (Abb. 6.4) ein Technologiepaket von PtX-Konvertierungen an. Tab. 6.2: Sunfire Brennstoffzellen-Systeme

Projektname Sunfire Hylink 2 Sunfire Synlink 3 Sunfire Remote 4 Sunfire Power Plus 1

PtX-Konvertierung Power-to-Gas Power-to-Chemical Gas-to-Power Power-to-Heat

Erklärung Wasserdampfelektrolyse Synthetische Kraftstoffe Verstromung von H2 oder LPG Kraft-Wärmekopplung

Beim System Sunfire Hylink handelt es sich um eine Wasserdampf-HochtemperaturElektrolyse zur H2-Gewinnung (Tab. 6.2, Zeile 1), beim System Sunfire Synlink um die

86

6 – Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff

Synthese flüssiger Kraftstoffe aus H2 sowie dem CO2 aus der Atmosphäre (Tab. 6.2, Zeile 2). Im System Sunfire Remote erfolgt die Verstromung von H2 zur Elektrizitätserzeugung (Tab. 6.2, Zeile 3) und im System Sunfire Power Plus die Konvertierung von Strom zu Wärme in Form einer Kraft-Wärme-Kopplung (Tab. 6.2, Zeile 4).

Abb. 6.4: Festoxid-Zellen-Stapel der Fa. Sunfire

6.2

Sabatierkonvertierung

Die Bezeichnung Power-to-Gas beinhaltet zunächst nur die Konvertierung von EEnergie in Wasserstoff. Den gebildeten H2 kann man in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt, wie bereits angedeutet, mit CO2 weiter zum Brenngas CH4 umsetzen. Die Reaktion bietet die Möglichkeit, sowohl biochemische Fermentierungen, die ebenfalls unter Bildung von CO2 verlaufen, wie z. B. die Biogaserzeugung, als auch die Verbrennung von C-haltigen Abfällen in Müllverbrennungsanlagen, CO2-neutral ablaufen zu lassen (Abb. 6.5). Das gewonnene CH4 lässt sich vorteilhaft in das bereits bestehende Erdgasnetz einspeisen. Für die Gasverteilung müssen keine zusätzlichen Investitionen für eine neue Verteilungsinfrastruktur getätigt werden.

Abb. 6.5: CO2-Konvertierungen zu CH4 nach dem Sabatiereffekt

87

Die Umsetzung von CO2 mit H2 zu CH4 unter Einsatz eines Ni-Katalysators gelang erstmals dem französischen Chemiker Sabatier. Im Prinzip könnte man diese Hydrierung als einen Spezialfall der später entwickelten n Kap. 6.3.1 ansehen. 𝐶𝑂2 + 4 𝐻2 ⇄ 𝐶𝐻4 + 2 𝐻2 𝑂 Gl. 6.5

Die erste industriell genutzte Konvertierungsanlage für CO 2 aus Biogas wurde von Fa. ETOGAS in Werlte im Emsland im Jahre 2013 errichtet (Abb. 6.6). Sie besitzt stromseitig eine Anschlussleistung von 6 MW. Die CO2/CH4-Konvertierung erfolgt in einem Festbettreaktor. Die Anlage liefert 1,4 Mio. Nm3 CH4 pro Jahr und hat einen Wirkungsgrad von 54 % [6.1]. Der von Windkraftanlagen erzeugte Strom wird mit einem Elektrolyseur in H2 konvertiert. Im zweiten Schritt dient der erzeugte H2 zur Reduktion des CO2-Anteils im Biogas zu CH4 (Abb. 6.5, Teil A).

Abb. 6.6: Modell eines Elektrolyse- und Konvertierungscontainers

Nach der Konvertierung des CO2 aus einer Biogasanlage kann das gewonnene CH4 mittels zwei 1300 kW Gas-Otto-Motoren auch zur Elektrizitätserzeugung genutzt werden [6.3]. Tab. 6.3: Biogasmenge und Zusammensetzung

Rohstoff

Biogas in m3/t

Verhältnis CH4/CO2

1

2

3

Maissilage

202

52/48

Gülle

25 – 28

60 – 65/40 – 35

Die Rückreaktion des Gleichgewichtsprozesses in Gl. 6.5 kann auch zur Herstellung von Biowasserstoff genutzt werden. Aus Biomasse erzeugtem Methan entsteht H2 und CO2. Eine technische Anlage in Herten, Blauer Turm genannt, war für 150 Nm3/h H2 konzipiert. Die Anlage wurde 2011 wegen Insolvenz der Firma stillgelegt. Und es existiert noch eine weitere Einsatzmöglichkeit für die Sabatierkonvertierung, die CO2-freie Abfallentsorgung. Wenn zukünftig die Kohleverstromung wegen der ho-

88

6 – Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff

hen CO2-Emissionen unterbleiben muss, gilt diese Forderung natürlich auch für Müllverbrennungsanlagen. Doch ohne die thermische Entsorgung C-haltiger Reststoffe ist das Leben nur auf einer Müllhalde vorstellbar. Also muss man für die Müllentsorgung CO 2neutrale Fahrweisen organisieren. Eine Möglichkeit besteht in der Müllpyrolyse. Das Verfahren wird in Kap. 7.4.1.1 vorgestellt. Für die Pyrolyse sind jedoch nicht unerhebliche Investitionen erforderlich. Mit wesentlich geringerem Aufwand kann man dagegen vorhandene Müllverbrennungen mit einer CO2-Konvertierung nachrüsten (Abb. 6.5, Teile B).

6.3

Power-to-Liquid

6.3.1

Fischer-Tropsch-Hydrierungen

Das kohlenstoffhaltige Gas CO, auch Synthesegas genannt, lässt sich mittels FischerTropsch-Hydrierungen zu Kohlenwasserstoffen, Olefinen oder Alkanolen hydrieren. Im Unterschied zur direkten Hydrierung der Braunkohle nach Bergius muss bei der F.-T.Hydrierung zunächst der Kohlenstoff in das sogenannte Synthesegas, früher auch als Generatorgas bezeichnet, überführt werden. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass alle C-haltigen Substanzen und Reststoffe wie Stein- und Braunkohle, Holz, Stroh, oder Hausmüll sich als potenzielle Rohstoffe zur CO-Herstellung durch Vergasung eignen. Je nach vorgelegtem CO/H2-Verhältnis und Katalysatorzusammensetzung entstehen: gesättigte gasförmige bis feste Kohlenwasserstoffe (Paraffine): 𝑛 𝐶𝑂 + (2𝑛 + 1) ⟶ 𝐶𝑛 𝐻2𝑛+2 + 𝑛𝐻2 𝑂 Gl. 6.6

Olefine: 𝑛𝐶𝑂 + 2𝑛𝐻2 ⟶ 𝐶𝑛𝐻2𝑛 + 𝑛𝐻2 𝑂 Gl. 6.7

oder gesättigte Alkanole: 𝑛𝐶𝑂 + 2𝑛𝐻2 𝑂 ⟶ 𝐶𝑛𝐻2𝑛+1 𝑂𝐻 + (𝑛 − 1)𝐻2 𝑂 Gl. 6.8

Die Reaktionen finden unter erhöhtem Druck bei Temperaturen zwischen 160 bis 200 °C mit Co-, Fe- oder Ni-Katalysatoren statt [6.2]. Zukünftig kann der Hydrierwasserstoff nicht wie früher über das sogenannte Wassergasgleichgewicht Gl. 6.3 unter CO2-Emission gewonnen, sondern mit einem Elektrolyseur gemäß Gl. 4.19 durch Elektrolyse von Wasserdampf hergestellt werden. Schlüsseltechnologie der Fa. Sunfire ist dabei ein Brennstoffzellensystem, Power Core genannt

89

[6.4]. Das System besteht aus einem Stapel von Feststoffoxid-Brennstoffzellen (Abb. 6.3). Als Elektrolyseur dient eine auf 800 °C erhitzte Brennstoffzelle. In sie wird Wasserdampf geleitet und mit E-Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. In einem zweiten Verarbeitungsschritt reduziert der erzeugte Wasserstoff das aus der Umgebungsluft entnommene CO2 zu CO: 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 ⟶ 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝑂 Gl. 6.9

Das gebildete CO kann in einem folgenden Hydrierschritt u. a. weiter gemäß Gl. 6.6 zu einem Gemisch von organischen Zwischenprodukten hydriert werde. Tab. 6.4: Produkte der Fischer-Tropsch-Synthese

Cn C3 und C4 C5 bis C10 C10 bis C14 C14 bis C18 C18 bis C32 > C32

Bezeichnung und (Anteil in %) Flüssiggas (10 bis 15) Benzin (50) Diesel (Kogasin I) (28) Kogasin II Paraffingatsch (6) Makroparaffine (2)

Siedebereich in °C 30 bis 180 180 bis 230 230 bis 320 320 bis 400 > 400

So entsteht unter Verwendung von Co-, Fe-, Ni- oder Ru-Katalysatoren, auf Zeolithen fixiert, bei Drücken von 10 bis 15 bar ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe (Tab. 6.5). Die Produkte im Siedebereich 180 bis 230 °C und 230 bis 320 °C wurden früher als Kogasin I und II (Koks-Gas-Benzin) bezeichnet. Der synthetische Kraftstoff hat gegenüber Produkten aus Erdölraffinerien den Vorteil, frei von Aromaten und Shaltigen Produkten zu sein. Als Dieselkraftstoff erfolgt seine Verbrennung CO 2-neutral, denn die C-Komponente wird bei der Synthese aus CO2 der Atmosphäre entnommen. Und Dieselgeneratoren zur Stromerzeugung wird man sowohl für netzferne Bereiche als auch für Notstromaggregate in Zukunft immer benötigen. Bei Wegfall der Braunkohlentagebaue und der damit verbundenen Einstellung der Montanwachsextraktionen müssen zukünftig die für sehr viele Wirtschaftszweige gebrauchten Paraffine, (C14-C32)-Kohlenwasserstoffe, notwendigerweise über die FischerTropsch-Hydrierung gemäß Gl. 6.6 bis Gl. 6.8 hergestellt werden.

6.3.2

Hydrierung von CO/CO2 zu Methanol und synthetischem Dieselkraftstoff

Methanol ist derzeit ein typisches Syntheseprodukt der Petrochemie. Sein zukünftig steigender Bedarf ergibt sich u. a. auch aus der Verwendung als Brennstoff für DMFCBrennstoffzellen (Kap. 4.4.2) oder als Rohstoff für synthetischen Dieselkraftstoff. Ausgangsstoffe sind CO aus Pyrolyseverfahren oder CO 2 aus Verbrennungsprozessen, Gase,

90

6 – Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff

die mit H2 zu Methanol hydriert werden. Die katalytischen Hydrierungen unter Druck verlaufen stark exotherm: 𝐶𝑂 + 2 𝐻2 ⟶ 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 Gl. 6.10

𝐶𝑂2 + 3 𝐻2 ⟶ 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 + 𝐻2 𝑂 Gl. 6.11

Man verwendet Cu/ZnO/Al2O3-Katalysatoren. Bei relativ niedrigen Reaktionsdrücken arbeitet man mit einem gut gekühlten Festbett-Rohrbündelreaktor und nutzt den entstehenden Abdampf zum Antrieb der Kompressoren oder zur Destillation des Rohmethanols. CH3OH kann als Ausgangsprodukt zur Herstellung von synthetischem Dieselkraftstoff, den sogenannten Oxymethylenethern, für Verbrennungsmotoren eine zukünftige Bedeutung erlangen [6.6, 6.7]. Hierbei handelt es sich um aliphatische Etherverbindungen, die dem Dieselkraftstoff bis zu 15 % zugemischt, eine rußfreie Verbrennung ermöglichen. Die Cetanzahl dieses Kraftstoffgemisches erhöht sich auf 76, d. h. das DieselölOxymethylenether-Gemisch ist zündwilliger als der reine Dieselkraftstoff mit Cetanzahlen zwischen 51 und 56. Die Synthese der Oxymethylenether erfordert, dass eine Teilmenge des Methanols katalytisch mit Sauerstoff zu Formaldehyd oxidiert wird: 2 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 + 𝑂2 ⟶ 2𝐶𝐻2 𝑂 + 𝐻2 𝑂 Gl. 6.12

Als Katalysatoren dienen entweder Ag oder Metalloxide. Der Formaldehyd wird dann mit Methanol zum Halbacetal umgesetzt: 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 + 𝐶𝐻2 𝑂 ⟶ 𝐶𝐻3 𝑂𝐶𝐻2 𝑂𝐻 Gl. 6.13

und dieses Zwischenprodukt reagiert sofort mit einem weiteren Molekül CH 3OH zum Dimethylether: 𝐶𝐻3 𝑂𝐶𝐻2 𝑂𝐻 + 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 ⟶ 𝐶𝐻3 𝑂𝐶𝐻2 𝑂𝐶𝐻3 Gl. 6.14

Polyoxymethylendimethylether CH3O(CH2O)nCH3 mit 2 < n < 5 entstehen durch Umsetzung von mehreren Molekülen Formaldehyd mit 2 Molekülen CH 3OH: 2 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 + 𝑛(𝐶𝐻2 𝑂) ⟶ 𝐶𝐻3 𝑂(𝐶𝐻2 𝑂)𝑛 𝐶𝐻3 + 𝐻2 𝑂 Gl. 6.15

91

Möglicherweise könnte sich durch den Einsatz synthetischer Dieselkraftstoffe die Akzeptanz von Dieselmotoren sogar wieder erhöhen. Diese Kraftstoffe zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte, geringere Rußbildung und eine vorhandene Verteilungsinfrastruktur (Tankstellennetz) aus. Eine Brückentechnologie stellen die synthetischen Kraftstoffe allemal dar, zumal sie, wie oben ausgeführt, aus CO 2 als Rohstoffbasis, synthetisiert werden können.

6.4

Synthesen von Ammoniak und Harnstoff

Jährlich werden weltweit etwa 200 Mio. t Harnstoff hergestellt. Dazu benötigt man etwa 13,4 Mio. t H2. Mithin stellt die Harnstoffproduktion eine der größten Wasserstoffverbraucher dar. Die Vorstufe für die Harnstoffsynthese bildet das Ammoniak, das derzeit dominant aus Erdgas durch Steamreforming hergestellt wird. Man bringt ein Gemisch aus Luft, Wasserdampf und Methan zur Reaktion. Im ersten Schritt wird das Gemisch komprimiert. Am Primärreformer kommt es bei 750 °C am Ni-Kontakt zur Reaktion zwischen CH4 und H2O: 𝐶𝐻4 + 𝐻2 𝑂 ⟶ 𝐶𝑂 + 3 𝐻2 Gl. 6.16

Im zweiten Schritt, dem Sekundärreformer, muss der Luftsauerstoff durch Oxidation des CH4 aus dem Gasgemisch ausgetrieben werden:

𝐶𝐻4 +

1 𝑂 ⟶ 𝐶𝑂 + 2 𝐻2 2 2 Gl. 6.17

bzw. 𝐶𝐻4 + 𝑂2 ⟶ 𝐶𝑂2 + 2 𝐻2 Gl. 6.18

Das gebildete CO entfernt man im CO-Konverter über das sogenannte Wassergasgleichgewicht Gl. 6.3. Das CO2 wird mit Methanol aus dem Gasgemisch ausgewaschen. Am Ende des Reformingprozesses bekommt man ein Gasgemisch aus N 2 und H2 im Verhältnis 1 : 3, das katalytisch zu NH3 hydriert wird. Hierzu sind hohe Drücke zwischen 150 bis 250 bar (25 – 30 MPa) notwendig. Durch Druckerhöhung verschiebt sich das Gleichgewicht in Gl. 6.19 zugunsten einer geringeren Anzahl an Molekülen, also zum NH3-Produkt: 𝑁2 + 3 𝐻2 ⇄ 2𝑁𝐻3 Gl. 6.19

92

6 – Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff

Das Finalprodukt, der Harnstoff, entsteht durch Umsetzung von Ammoniak mit CO 2 2 𝑁𝐻3 + 𝐶𝑂2 ⟶ 𝑁𝐻2 𝐶𝑂𝑁𝐻2 + 𝐻2 𝑂 Gl. 6.20

Das benötigte CO2 wird aus der Methanolwäsche der NH3-Synthese ausgestrippt. Man könnte meinen, dass die Harnstoffsynthese umweltfreundlich verläuft, da im letzten Syntheseschritt 0,7 t CO2 für 1 t Harnstoff verbraucht werden. Doch fällt durch die hohen Drücke bei der NH3-Synthese die CO2-Bilanz des Harnstoffprozesses insgesamt recht negativ aus. Selbst wenn man zur Ammoniaksynthese zukünftig grünen Wasserstoff aus einem Elektrolyseverfahren benutzen würde, benötigt man allein zur Druckerzeugung von 1 m3 Gas von 150 bis 250 bar gemäß Gl. 9.21 4,16 bis 6,94 kWh E-Energie, bzw. 5,41 bis 9,02 kWh/kg für die NH3-Synthese und letztlich für eine t Harnstoff aus 566 kg NH3 dann 3,976 bis 6,63 MWh/t Produkt. Benutzt man zur Energiegewinnung ausschließlich den günstigsten Energieträger, CH 4, so liegt die emittierte CO2-Menge mindestens zwischen 0,75 bis 1,3 t pro t Harnstoff. Dabei wurde die Prozessenergie zur Harnstoffaufarbeitung nicht eingerechnet. Insgesamt werden also weltweit jährlich allein für die Harnstoffproduktion mindestens 2,6*108 t CO2 emittiert. In Kap. 7.4.5 wird die Sinnhaftigkeit der derzeitig eingesetzten Harnstoffmenge in der Landwirtschaft hinterfragt.

6.5

Extraktionen mit Wasserstoff

Eine Extraktion mit H2 unter Normaldruck kann als Recyclingverfahren von SE-haltigen Magneten, also dem Basismaterial für PMG eingesetzt werden. Bei der Umsetzung der SE-Magnete mit H2 entstehen nichtflüchtige, salzartigene SE-Hydride; z. B. aus Nd2Fe14B das Hydrid NdH(2+-x) [6.9]. Die Nd-H-Legierung besitzen keine metallischen Eigenschaften mehr. Das Magnetmaterial versprödet und kann leicht zerkleinert werden. Bruttomäßig lässt sich die Umsetzung unter Hydridbildung am Beispiel der NdFeBLegierung formulieren: 𝑁𝑑2 𝐹𝑒14 𝐵 + (2 + −𝑥)𝐻2 ⟶ 2𝑁𝑑(𝐻)2+−𝑥 + 12 𝐹𝑒 + 𝐹𝑒2 𝐵 Gl. 6.21

wobei die Menge x der eingelagerten H-Atome eine Funktion von Druck und Temperatur ist. Man arbeitet mit Temperaturen im Bereich von 973 bis 1073 K bei Normaldruck.

6.6

Wasserstoffbasierte Konvertierungsmodelle

Die im Weiteren vorgestellten Konvertierungsmodelle basieren auf einer dezentralen Herstellung und Nutzung von Wasserstoff. Der Zusammenhang zwischen eingesetzter

93

bzw. erzeugter Mengen an E-Energie und der Wasserstoffmenge ergibt sich über das Faradaysche Gesetz gemäß Gl. 9.7. Je nach Brennstoffzellentyp entsprechen dabei: 1 𝑁𝑚3 𝐻2 = 4,3 − 4,9 𝑘𝑊ℎ Gl. 6.22 oder

1 𝑀𝑊ℎ = 204 − 232 𝑁𝑚3 𝐻2 Gl. 6.23

Abb. 6.7: Wasserstoff für Brennstoffzellenantriebssysteme WP Windpark, PV Photovoltaikanlage, BSZ Brennstoffzelle, ÖPV = Öffentlicher Personenverkehr

Die E-Energie kommt aus Wind-(WP) oder Solarparks (PV) und wird mit der Brennstoffzelle in H2 konvertiert (Abb. 6.7). Brennstoffzellenbetriebene Straßen- oder Schienenfahrzeuge können über zentrale Tankstellen mit dem Wasserstoff versorgt werden.

Abb. 6.8: Wasserstoff zur CO2-Konvertierung aus Biogasanlagen mit Rückverstromung

Ein günstiger Standort für die Herstellung und Betankung für den öffentlichen Verkehr wären die Schnittstellen von Bus und Bahn. Die Brennstoffzellen in den Fahrzeugen

94

6 – Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff

konvertieren den H2 zu E-Energie zum Antrieb der E-Motoren. Das Beispiel für Schienenfahrzeuge ist bereits realisiert Kap. 4.8.3. Tab. 6.5: Umrechnungen von Energie- und Stoffmengen

Stoff H2 CO2

Stoffmenge in Nm3 1 1

CH4

1

Stoffmenge in kg 0,08928 1,964

Energiemenge in kWh 4,3 – 4,9 12,52 – 14,27

0,6696

5,78 – 6,58

Bemerkung

nach Gl. 6.11 (Methanolsynthese) nach Reaktion Gl. 6.5 (Sabatierreaktion)

Die zweite Konvertierungskette basiert auf der Umwandlung von CO2 im Biogas zu Methan (Abb. 6.8). Das fast zur Hälfte im Biogas mit enthaltene CO2 (Nach der Konvertierung des CO2 aus einer Biogasanlage kann das gewonnene CH4 mittels zwei 1300 kW Gas-Otto-Motoren auch zur Elektrizitätserzeugung genutzt werden [6.3]. Tab. 6.3) wird mittels H2 zu CH4 konvertiert. Dazu benötigt man für 1 Nm3 Biogas mit etwa 50 % CO2-Anteil ca. 9 bis 10 kWh an E-Energie: 1 𝑁𝑚3 𝐵𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 (50 % 𝐶𝑂2 ) = 0,178 𝑘𝑔 𝐻2 𝑏𝑧𝑤. 8,57 − 9,78 𝑘𝑊ℎ Gl. 6.24

Üblich ist derzeit eine Verstromung des Biogases mittels eines Blockheizkraftwerkes. Und dort, wo diese Kette installiert ist, soll sie auch weiter betrieben werden, denn es wird über den H2 ja zusätzliche Energie in das Biogas-System eingeführt. Für eine zukünftige Netzstabilisierung bietet sich die Option einer Rückverstromung des Methans an. Die Methangasverstromung besitzt den Vorteil, dass die Polarisationsverluste methanbetriebener Brennstoffzellen geringer als die H 2 betriebener sind, mithin der Wirkungsgrad der Konvertierungskette: 𝜂 (𝐸 − 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 ⟶ 𝐻2 ⟶ 𝐶𝐻4 ⟶ 𝐸 − 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒) > 𝜂 (𝐸 − 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 ⟶ 𝐻2 ⟶ 𝐸 − 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒) Gl. 6.25

höher als der für die H2-Rückverstromung ist. Letztlich lassen sich beide Modelle in industriell schwach entwickelten ländlichen Räumen aufbauen. Denn Wind- und Sonnenenergie sind auch dort zu ernten, und was die Flächenbereitstellung für die Energieparks anbetrifft, sogar leichter als in Ballungsgebieten. Die Kombination von Nutztierhaltung unter Anlagen zur Energie-gewinnung ist bisher nur probeweise in Münster in Hessen realisiert. Eine garantierte Energieversorgung im ländlichen Raum zieht neue Produzenten an diesen Standort, schafft weitere Arbeitsplätze. Die entstehenden Be- und Entsorgungsstützpunkte bieten sowohl Mechat-

95

ronikern und Energietechnikern als auch Agrartechnikern Arbeitsmöglichkeiten, den Bauern zusätzliche Einnahmen, schafft Wertschöpfungsketten und stoppt damit die Abwanderung der Bevölkerung aus dem ländlichen Raum in Ballungsgebiete.

6.7

Sicherheitshinweise für den Umgang mit Wasserstoff

Wasserstoff wird gasförmig in Druckbehältern mit Drücken von 200 bis 700 bar oder in verflüssigter Form bei -253 °C als Kryowasserstoff gehandelt. Dabei entspricht 1 l flüssigem H2 750 l gasförmigem. Als Transportmittel dominieren LKW-Transporte. Die sicherste Form im Umgang mit H2 ist die dezentrale Erzeugung und Verarbeitung. Besondere Vorsicht gilt im Umgang mit verflüssigtem H 2. Beim Ausströmen von flüssigem H2 in die Luft kommt es zu einer lokalen Luftverflüssigung und dabei zur Anreicherung von O2. Es bildet sich ein hoch explosives Knallgasgemisch. Tab. 6.6: Physikalische Eigenschaften von H2

Eigenschaft Dichte 2 Siedepunkt 3 Zündtemperatur in Luft 4 Zündbereich in Luft 5 max. Flammgeschwindigkeit )1 UEG, OEG untere bzw. obere Explosionsgrenze 1

Wert 0,0899 kg/Nm3 bei 273 K -252,8 °C bzw.21,15 K 585 °C UEG 4 % OEG 75,6 %)1 346 cm/s

Anlagen und Vorratsgefäße zur Verarbeitung und Lagerung von H2 sollten im Freien aufgestellt werden, damit unkontrolliertes Ausströmen in die Atmosphäre erfolgen kann. Bei der Errichtung von H2-Anlagen sind Mindestabstände zu bereits bestehenden anderen technischen Anlagen einzuhalten. Richtlinien sind in den TRBS niedergelegt. Für analytische Arbeiten in Räumen empfiehlt es sich, an der Decke der Räume eine immer arbeitende Absaugung zu installieren, die Arbeitsräume unter leichtem Unterdruck zu halten, sodass sich nicht H2 in der Raumluft anreichern kann. Luft-WasserstoffGemische sind explosibel. Der Zündbereich in Luft liegt bei UEG 4 Vol. % und der OEG bei 75,6 % (Tab. 6.6, Zeile 4). Deshalb beginnt die Inbetriebnahme einer Anlage stets durch eine Inertgasspülung mit N2 oder Ar. Das Abfahren einer Anlage ist ebenfalls mit einer Inertgasspülung zu beenden. Auch vor Aufnahme von Reparatur- oder Wartungsarbeiten hat ebenfalls eine Spülung zu erfolgen. Prinzipiell sind solche Arbeiten an H 2gefüllten Anlagen oder Behältern untersagt, einschließlich Wartungsarbeiten unter ausströmendem H2. Zündquellen in der Nähe von Wasserstoffanlagen sind zu vermeiden, bzw. ein dafür erforderlicher Sicherheitsabstand einzuhalten. Als potenzielle Zündquellen gelten nicht Ex-geschützte elektrische Geräte, Schweiß- oder Schneidarbeiten. In H2Anlagen gilt wie in allen Chemieanlagen Rauchverbot. Die sehr hohe Flammgeschwindigkeit (Tab. 6.6, Zeile 5) des H2 kann im Brandfall zu Detonationen führen. Kommt es zum Brandfall in H2-Anlagen, sind die Gaszuführungen zu schließen und Personen weit-

96

6 – Erzeugung und Anwendungen von Wasserstoff

räumig aus der Gefahrenzone zu evakuieren. Der Brand löscht sich meist mangels nachströmendem H2 dann von selbst.

Literatur [6.1] Quaschning V.: Erneuerbare Energien und Klimaschutz München (2013) S. 329 ISBN 978 3446 1130 [6.2] F. Fischer, H. Tropsch: Über die Herstellung synthetischer Ölgemische durch Aufbau aus Kohlenoxid und Wasserstoff. In: Brennstoff-Chem. 4 (1923) S. 276-285 [6.3] http://www.kriegfischer.de/biogasanlagen/referenzen 6.4] Sunfire – Sunfire-Energy-Everywhere. https://www.sunfire.de (2019) [6.5] H. Sander: Die Verwendung von festen und flüssigen Abfällen …: Braunkohleveredlung im Lausitzer Revier. Waxmann München (2009) S. 233-245 ISBN 978-3-83091684-0 [6.6] M. Münz, et al.; Oxymethylene Ether (OME1) as Synthetic Low Emission Fuel for Diesel Engines. 3. Internationaler Motorenkongress. Baden-Baden. Februar (2016) [6.7] B. Lumpp et al.: Oxymethylenether als Dieselkraftstoffzusätze der Zukunft. MTZ – Motortechnische Zeitschrift (2011) DOI 10.1365/s35146-011-0049-8 [6.8] J. A. Kent: Riegel’s Handbook of Industrial Chemistry. Van Nostrand Reinhold, (1974) S. 104 -111 ISBN 0-442-24347-2 [6.9] A. Walton, A. Williams: Rare earth recovery. Mater. World 19 (2011) S. 24 – 26 [6.10] Positionspapier Handlungshinweise „Power to Gas“ www.energie-innovativ.de (4/2013) [6.11] Energiesysteme gestalten. Nachrichten aus der Chemie 67 (2019) S. 35

7

Klimaschutzaktivitäten

Wenn die Klimaerwärmung gemäß Gutachten des IPCC auf einen Temperaturanstieg auf 1,5 bis 2 K beschränkt bleiben soll, muss es zu einer Halbierung der Treibhausgasemissionen, vor allem des CO2-Ausstoßes kommen. Energieeinsparungen, Technologieänderungen und eine drastische Konsumreduzierung sind deshalb die technischen und gesellschaftlichen Aufgaben, die eine moderne Recyclinggesellschaft zukünftig organisieren muss.

7.1

Klimagase

Alle gas- oder dampfförmig in die Atmosphäre entweichenden Stoffe mit einem Dipolmoment sind infrarotaktiv. Diese Stoffe adsorbieren Wärmestrahlung und führen zur Erderwärmung. Sechs Gase bzw. Gasgruppen werden bei technischen Prozessen in besonders großer Menge bewusst oder unbewusst in die Atmosphäre abgegeben. Gemäß Kyotoprotokoll (Kap. 8.1) zählt man zu den sogenannten Treibhausgasen: CO2, CH4, N2O, teilfluorierte, noch H-Atome enthaltene Fluorkohlenwasserstoffe, HFKW, perfluorierte Kohlenwasserstoffe, PFKW sowie SF6. Die klimaschädigende Wirkung eines Treibhausgases hängt sowohl von seiner Molekülgeometrie, der ausgestoßenen Menge, als auch von der Verweilzeit in der Atmosphäre und damit vom betrachteten Zeithorizont ab (Tab. 7.1). Tab. 7.1: Treibhausgasen in Abhängigkeit des gewählten Zeithorizontes

Gas

Wirkungsfaktor im Zeithorizont 20 a

CO2 CH4 3 N2O 4 F2CH-CHF2 (HFKW) 5 SF6

1 84 264 3710 17500

1 2

Wirkungsfaktor im Zeithorizont 100 a (Kyotoprotokoll) 28 265 1300 23500

Die wesentlich höhere klimaschädigende Wirkung des Methans gegenüber dem Kohlendioxid ergibt sich aus seiner Molekülgeometrie. CH4 besitzt 9 Schwingungsfreiheitsgrade, CO2 dagegen nur 4 (3), wobei jedoch ein Freiheitsgrad symmetriebedingt infrarotinaktiv ist, also nicht durch Absorption von Wärmestrahlung angeregt werden kann. Die Energieaufnahme in beiden Molekülen ist zudem recht unterschiedlich. Sie

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 B. Adler, Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60688-9_7

98

7 – Klimaschutzaktivitäten

wird von der Masse und den Bindungsverhältnissen geprägt. Für einen vereinfacht gedachten Oszillator gilt: 1

𝜈̅ = ν⁄𝑐 = 1303(𝑘⁄𝜇)2 Gl. 7.1

𝜈̅ Wellenzahl der Schwingung in cm-1, ν Frequenz in 1/s, k Kraftkonstante der Bindung in N/cm, μ reduzierte Masse m1 * m2 / (m1 + m2) der beiden schwingenden Massenpunkte, c Lichtgeschwindigkeit in m/s und 1303 Umrechnungsfaktor makroskopische in atomistische Größen. Je kleiner die Masse und je stärker die Bindung, umso höher die Wellenzahl bzw. Frequenz der Schwingung und damit die Energieaufnahme. Beim CH 4 liegen die vier Valenzschwingungen der C-H-Bindungen deutlich höher als die Valenzschwingungen im CO2 (Tab. 7.2, Zeilen 1 und 2). Vereinfacht ergibt sich die mittlere Energie eines Oszillators, der mit der Frequenz ν schwingt, zu [7.12]: 𝐸𝑂𝑆𝑍 = ℎ𝜈⁄ ℎ𝑣 − 1 𝑒 (𝑘𝑇) Gl. 7.2

mit der Boltzmannkonstanten k, der absolute Temperatur T und dem Wirkungsquantum h. Zu den Schwingungsfreiheitsgraden kommen noch bei linear gebauten Molekülen, wie CO2, zwei Rotationsfreiheitsgrade bzw. drei bei den nichtlinear gebauten wie CH4. Auch sie nehmen bei Dipolmolekülen Wärmeenergie auf und führen zu Drehbewegungen um die X-, Y- und Z-Achse (Tab. 7.2, Spalte 3). Tab. 7.2: Valenzschwingungen in Gasmolekülen

Bindung

Energie der Valenzschwingung in cm-1 )1

1

2

Beispiel mit (Zahl der Rotationen) 3

1

C=O 2300 O=C=O (2) 2 C-H 3000 Kohlenwasserstoffen, CH4 (3) 3 N=O 1876 N=O (2) 4 C=O 2143 CO (2) 5 O-H 3600 (breit) H2O (3) )1 zur Umrechnung der Energieangaben ν in 𝜈̅ siehe Umrechnungen Kap. 9

Die Gesamtenergie eines Moleküls ergibt aus der Summation über alle Schwingungsund Rotationsfreiheitsgrade. Und diese Energieaufnahme ist im CH4-Molekül etwa dreimal größer als im CO2-Molekül. Auch Wasserdampf stellt ein Klimagas dar, denn das

99

Wassermolekül besitzt ein Dipolmoment und damit neben drei infrarotaktiven Rotationsfreiheitsgraden auch drei infrarotaktive Schwingungsfreiheitsgrade. In großer Höhe, durch Flugzeuge ausgestoßen, entwickelt Wasserdampf, durch Kondensationsstreifen am Horizont erkennbar, eine klimaschädigende Wirkung, in erdnahen Atmosphärenschichten sind die Wassermoleküle dagegen harmlos, da sie durch Kondensation aus der Atmosphäre als Niederschlag entfernt werden. Tab. 7.3: Anteil der Treibhausgase an der Klimaänderung [7.2] )1

Gas

Anteil in %

Gas

1

2

3

Anteil in % 4 2

CO2 87 HFC ) 1 CH4 5 PFC )3 0,1 N2O 6 SF6 0,6 )1 Referenzjahr 1990, )2 Fluorkohlenwasserstoffe, )3 perfluorierte Kohlenwasserstoffe

Aber schon im Zeithorizont von 100 Jahren relativiert sich das Verhältnis zwischen den beiden Klimagasen CH4 und CO2 zugunsten von Methan. CH4 wird in der Atmosphäre zersetzt, umgekehrt besitzt CO2 eine hohe chemische Stabilität. Es wird zudem in sehr großen Mengen bei Verbrennungsvorgängen fossiler Energieträger emittiert. CO 2 stellt deshalb das Gas mit der größten klimaschädigenden Wirkung dar. Es rangiert z. B. für das Referenzjahr 1990 von allen Klimagasen mit weitem Abstand an der Spitze der Schadwirkung (Tab. 7.3, Spalten 2 und 4). Die Reduzierung der CO2-Emissionen besitzt deshalb eine besondere Bedeutung, um die Erderwärmung zu stoppen. Die emittierten Mengen aus Verbrennungsprozessen sowohl der Verstromung fossiler Energieträger in den Kraftwerken als auch der Transportmittel liegt im Bereich von Mio. t/a (Tab. 7.4). Sprunghaft stiegen die CO2Emissionen um das Jahr 2000 an. Im Jahr 2017 wurde bisher die maximale CO 2-Menge emittiert. Tab. 7.4: Weltweiter Ausstoß von CO2 aus fossilen Energieträgern [7.1, 7.6]

Jahr 1965 1975 1985 1990 1995 2000 2005 2015 2017

Menge in Mio. t 11,689 17,074 20,304 22,182 23,303 24,559 29,652 35,463 36,153

Bemerkung

Referenzjahr

bisheriges Maximum

Die von der Bundesregierung selbst gestellte Verpflichtung, bis zum Jahre 2020 die CO 2Emissionen um 40 % unter den Emissionswert von 1990 zu drücken, wird leider verfehlt.

100

7 – Klimaschutzaktivitäten

Maximal erwartet man lediglich eine CO2-Reduzierung auf 31,4 % [7.2]. Im Strategiepapier zum Kohleausstieg ist bis 2038 der vollständige Ausstieg aus der Verstromung der Stein- und Braunkohle vorgesehen [3.2]. Ferner existieren noch die indirekten Treibhausgase, auch NMVOC genannt. Zu ihnen gehören CO, NOx, flüchtige KW außer CH 4. Die genannten Gase schädigen vor allem die Ozonschicht. Sie werden im sogenannten Montreal-Protokoll (Kap. 8) gelistet.

7.2

CO2-Zertifikatehandel und geplante CO2-Steuer

Zur Reduzierung industrieller CO2-Emissionen in Europa wurde im Jahre 2003 ein klimapolitisches Instrument, der Handel mit CO2-Zertifakaten, eingeführt. Nach dieser Verordnung muss ein Betreiber von technischen Anlagen für jede emittierte Tonne CO 2 ein Zertifikat, auch Cap genannt, erwerben [7.3, 7.4]. Die Zuteilung der Zertifikate erfolgt zu einem Teil kostenlos als freie Industriezuteilung. Ein weiterer Teil kann bei Bedarf gegen Entgelt ersteigert bzw. bei überschüssigen Zertifikaten auch verkauft werden. Der Emissionshandel, das Cap-and-Trade-System, soll über Mengenbeschränkungen der Caps wirken [7.22]. So waren z. B. im Jahre 2013 2,084 Mio. Zertifikate als Gesamtobergrenze im Handel. Die ersten Zertifikate kosteten anfangs 5 €/t pro Cap, doch ihre Wirkung war umstritten. Seit 1.1.2019 hat sich der Preis auf 23 €/t CO2 erhöht. Die Anzahl der Zertifikate sinkt seit 2014 bis zum Jahre 2020 um 1,74 %/a und ab 2021 um 2 %/a, um die Wirkung auf die CO2-Reduzierung deutlich zu erhöhen. Die Verordnung trat am 1.1.2005 in Kraft und erfasst derzeit 1,1*104 technische Anlagen in 31 europäischen Ländern, davon 28 EU-Staaten. Seit 2013 sind auch Lachgas und FKW in den Zertifikatehandel einbezogen. Der Emissionshandel erfasst jedoch nur den Teil der industriellen CO 2-Emissionen, nicht aber z. B. die privaten Verbräuche an Energieträgern, vor allem nicht die Energieverbräuche von Kraftfahrzeugen. Deshalb fordert u. a. die Lobbyorganisation AgoraEnergiewende eine CO2-Steuer auf Benzin und Dieselkraftstoffe von 50 €/t CO2 [7.5]. Leider existieren in der Bundesrepublik Deutschland derzeit aber noch Subventionen auf Kraftstoffe wie Dieselöl oder Kerosin [7.7]. Dabei könnte nach EU-Recht in allen EUMitgliedstaaten eine Flugbenzinsteuer erhoben werden [7.8]. Mit Ausnahme der Niederlande, zukünftig eventuell auch Frankreich, erfolgt das jedoch bisher nicht, obwohl eine Bürgerinitiative die Beendigung der Steuerbefreiung für Kerosin fordert [7.9]. Der derzeitige Gesetzentwurf des Umweltministeriums für eine sozialverträgliche CO 2-Steuer auf Benzin und Diesel sieht bis zum Jahre 2020 eine Abgabe von 35 €/t CO2 vor, die auf 180 €/t CO2 bis zum Jahre 2030 anwachsen soll [7.25]. In der Schweiz existiert eine sozialverträgliche CO2-Besteuerung auf alle fossilen Energieträger wie: Heizöl, Erdgas oder Kohle bereits seit 2008. Sie beträgt 96 Schweizer Franken je t CO2. Demgegenüber wird der Verbrauch an Elektrizität in Deutschland ziemlich hoch versteuert (Tab. 7.5). So beträgt allein die EEG-Umlage 22,9*109 € und ist als Finanzierung für die Umrüstung der Elektrizitätsversorgung vorgesehen (Tab. 7.5, Zeile 2). Eine weitere Erhöhung der Strompreise wäre für den Endverbraucher, vor allem die Wirtschaft, sicherlich kontraproduktiv.

101

Tab. 7.5: Letztverbraucherausgaben für elektrischen Strom 2018

Letztverbraucherausgabe in 109 € (Einnahmen des Staates) 38,4

Steuertyp 1

staatlich induziertes Element (Mehrwertsteuer, Stromsteuer, …) davon EEG-Umlage 2 staatlich reguliertes Element (Netzentgelt, Verteilungsnetze, …) 3 Marktgetriebenes Element (Erzeugung, Vertrieb, Marktwert, …) 4 gesamt

22,9 22,3 13,4 74,1

Der derzeitige Strompreis setzt sich zu 54 % aus Steuern, 25 % Netzentgelten und nur zu 21 % zu marktlichen Anteilen der Strombeschaffung und dem Vertrieb zusammen. Möglicherweise muss der Anteil der EEG-Umlage reduziert werden, wenn die einerseits in Aussicht gestellte Konstanz der Strompreise gewährleistet bleiben soll [3.2], andererseits aber Betreibern von Power-to-Gas-Anlage die entropischen Verluste bei der zweimaligen Energiekonvertierung gemäß Kap. 6.1 entgolten bekommen müssen.

7.3

CO2-Bilanzen ausgesuchter Industrieproduktionen

Im Jahre 2018 wurden in Deutschland 865,6 Mio. t CO2 freigesetzt. Das waren 38 Mio. t weniger als im Jahre davor. Unklar bleibt bei diesem Zahlenvergleich, ob der Rückgang wirklich nachhaltig oder wetterbedingt zu bewerten ist. Hauptemittenten sind die Kohlekraftwerke mit 34 %, aber auch die Industrie mit 7,5 %, die Landwirtschaft mit 7,3 % sowie der Verkehr mit 18 % tragen zu erheblichen CO2-Emissionen bei (Tab. 7.6, Spalten 2 bzw. 3). Tab. 7.6: CO2-Emissionen im Jahre 2018 [7.19]

1

Sektor

Menge in Mio. t

Menge in %

%-Abnahme gegenüber 2017

1

2

3

4

865,6 163 299,3 64,7 63,6 82,3 9,6

100 18 34 7,5 7,3 9,5 0,1

4,3 2,9 4,5 0,4 4,1 10,4 5,3

Gesamtmenge Verkehr 3 Energiewirtschaft 4 Industrie 5 Landwirtschaft 6 private Haushalte 7 Abfallwirtschaft 2

102

7.3.1

7 – Klimaschutzaktivitäten

CO2-Emissionen aus Verbrennungskraftwerken

Die CO2-Emissionen von Kraftwerken setzen sich aus zwei Anteilen zusammen: Zum einen der CO2-Menge, die bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzt wird, zum anderen aus jener Menge an CO2, die bei Aufbau, Abriss und Entsorgung alter Kraftwerksanlagen aufgebracht werden muss. Windenergie- und PV-Anlagen produzieren zwar kein CO2 bei der Stromerzeugung, sind aber deshalb noch keinesfalls als CO 2frei zu beurteilen (Tab. 7.7, Spalte 2). Tab. 7.7: CO2-Emissionen aus Energieerzeugungsanlagen [7.10]

Typ 1

1

Braunkohlenwerk 2 Steinkohlenwerk 3 Erdgas 4 Biogasverstromung [7.11] davon: Anlagenbetrieb Errichtung Transport & Substrat 5 Photovoltaik 6 Wasserkraft 7 KKW (ohne Rückbau) 8

Windpark Strommix 11 Rapsöl(methylester) 10

kg CO2 /kWh

Bemerkung

2

1,153 0,949 0,25 0,3 (0,17) 0,1 0,01 0.2 0,101 0,040 0,032 0,024 0,565 0,048 (0,054)

3

Ende 2038 Ende 2038 Brückentechnologie

Arbeitsende 2022 ohne Rückbau zu 60 % nicht regenerativ CH3OH aus Raffinerie

Die Biogasverstromung erfolgt mit etwa 0,3 kg CO2 pro erzeugter kWh. Wenn bei der Fermentation Gülle entsorgt wird, erfolgt für den Betreiber eine Gutschrift um 0,13 kg CO2/kWh, sodass per Saldo die Biogasverstromung mit 0,17 kg CO2 /kWh gelistet wird (Tab. 7.7, Zeile 4). Von den regenerativen Energieerzeugungsprozessen verursacht die Windenergie die geringsten CO2-Mengen pro erzeugter kWh (Tab. 7.7, Spalte 2).

7.3.2

CO2-Bilanzen von Industrieprodukten

Die CO2-Emissionen aus Industrieprozessen sanken in Deutschland von 60 Mio. t/a im Jahre 1990 auf 50 Mio. t/a im Jahre 2002. Dieser starke Rückgang wurde vor allem durch die Deindustriealisierung in den neuen Bundesländern verursacht. Ein weiterer gravierender Abfall erfolgte im Jahre 2009 auf 41 Mio. t/a und ist auf den Produktionsrückgang durch die damalige Bankenkrise zurückzuführen. Denn im Jahre 2017 lag die Emission bereits wieder bei 46 Mio. t/a [7.18]. Die Angaben variieren allerdings ziemlich stark. So gibt z. B. Rychlik [7.19] für das Jahr 2017 64,7 Mio. t CO2 für die Industrieemissionen an. Es könnte sich bei diesen unterschiedlichen Zahlenangaben u. a. um Zuordnungsprobleme handeln. Zählt z. B. das Braunkohlenkraftwerk in Schkopau, das für die dortigen Chemiebetriebe Deionat, Dampf und E-Energie erzeugt, zu einem In-

103

dustriekraftwerk oder zur Energietechnik, bzw. gehören Biogasanlagen mit Sabatierkonvertierung zukünftig zu Chemiebetrieben oder noch zur Landwirtschaft? Tab. 7.8: CO2-Emissionen von Industrieprodukten

Produkt 1

Emission in kg CO2/kg Produkt

Menge in Mio. t

Bemerkung

3

4

2 1

Zement

0,352 32,7 BRD 0,17

2

Glas [7.15] davon Behälterglas 3 Papier- und Zellstoff [7.13] 4 LDPE [7,14, 7.20] 5

NH3

6

Harnstoff

0,8 2,5 1,352 + 0,69 1,08 – 1,8

1990 2016 2014 63,4 % alternative Brennstoffe

7,5 BRD 4 31*106 )2 BRD

Herstellung Konfektionierung 150 -250 bar 4,16 bis 6,94 kWh für 1 m3 NH3 )1 )1

200*106 weltweit )1 Prozessenergie aus CH4 mit 0,2 kg CO2/KWh [7.17], )2 Gesamtproduktion an Kunststoffen 0,79 – 1,32

Dennoch ist die Industrie durch den Zertifikatehandel gezwungen, Energieeinsparungen in den Produktionsprozessen vorzunehmen. So konnte z. B. die Zementindustrie durch zwei Maßnahmen die CO2-Emissionen von 0,352 kg CO2/kg Zement auf 0,17 kg CO2 im Jahre 2017 absenken. Einmal erfolgte die CO2-Reduzierung durch verfahrenstechnische Verbesserungen im Drehrohrofenprozess und zum anderen durch Einsatz alternativer Brennstoffe wie Tiermehl, Altreifen oder Kunststoffabfälle. Doch reichen die genannten Verbesserungen bei einer weltweit produzierten Menge von 5*109 t/a Zement, das entspricht 8 % der gesamten emittierten CO2-Menge? Offensichtlich nicht. Man muss vielmehr von der thermischen Zersetzung der Ca-Carbonat-Mineralien als Rohstoffbasis der Zementproduktion abgehen und Reststoffe aus anderen Produktionsprozessen, z. B. der Kaolin- oder Al-Produktion als zukünftige Rohstoffe nutzen. Im Römischen Imperium war Zement aus vulkanischen Aschen sehr erfolgreich im Einsatz. Die Bauwerke stehen heute noch. Die Herstellung von Papier-, Glas- und Kunststoffprodukten (Tab. 7.8, Zeilen 2 bis 4) erfolgt durch energiereiche Prozesse. Die Produkte werden zudem in großen Mengen als Verbrauchsgüter benötigt. Man sollte meinen, dass die Gesellschaft durch Recycling versucht, energiesparend zu wirtschaften. Doch das Gegenteil ist der Fall. Große Mengen an Plasteverpackungen werden nicht recycelt, sondern nach einmaligem Gebrauch in den Müll geworfen. Natürlich stellt sich die Frage, ob Plasteverpackungen überhaupt notwendig sind. Am Beispiel von Getränkeflaschen sollen Vor- und Nachteile von Plaste-

104

7 – Klimaschutzaktivitäten

und Glasflaschen diskutiert werden. Energetisch ist die Herstellung von Glasgetränkeflaschen gegenüber denen aus Plaste vorteilhafter (Tab. 7.8, Spalte 2). Aber aus 1 kg Glas lassen sich nur drei 1-Liter-Getränkeflaschen, aus 1 kg Kunststoff dagegen 20 Flaschen mit dem gleichen Füllvolumen herstellen. Die Transportkosten sind wegen des niedrigeren Gewichtes von Kunststoffflaschen günstiger als bei Glasflaschen. Doch der Vorteil der Kunststoffflasche wird durch die zu niedrigen Kunststoffpreise, in denen die Recyclingkosten nicht enthalten sind, zunichtegemacht. Achtlose weggeworfene Plasteflaschen stellen deshalb eine enorme Energieverschwendung dar und verursachen zudem eine Vermüllung der Landschaft und der Meere. Wie erschreckend groß die Vermüllung ist, zeigt eine Studie von einer Landstraße in der Nähe von Halle. Auf 1 km Landstraße wurden im Jahr 2018 Abfälle mit 23 bis 30 t CO2-Äquivalenten (Tab. 7.9, Spalte 4) eingesammelt. Tab. 7.9: Müllmenge auf der Landstraße Osendorf-Döllnitz im Jahre 2018

Abfallart

Menge pro Monat /a

Menge/a

kg CO2/a

1

2

3

4

1

Papier (Taschentuch, Zeitung, Verpackung) 1 g Papier verursachen 2,5 g CO2 2 Glas (Bier-, Wein-, Schnapsflaschen) 1 g Glas verursachen 0,8 g CO2 3 PE-Folien 1 g PE verursachen 6,16 g CO2 4 Zigarettenschachteln 8 g /Schachtel 5 Kaffeebecher (Coffee to go) 12 g/Pappbecher 6 sonstiger Abfall (Pampers, Schuhe, Textilien …) 7 CO2 gesamt in kg 8

Aufwand beim Sammeln

20 – 25 g Papier

240 – 300 g Papier

0,6 – 0,75

3 – 4 Fl./36 – 48 Fl.

14,8 – 19,7 kg Glas

11 – 15,8

120 – 140 g

1,44 – 1,68 kg PE

8,87 – 10,3

8 – 10/96 – 120 Schachteln

768 – 960 g Papier

1,93 – 2,4

2 – 3/24 – 36 Becher

288 – 432 g Papier

0,72 – 1,08

1 – 2/12 – 24

min: 23,12 max: >30,33 24 Arbeitstunden

Prozesse, die keine Treibhausgase verursachen oder deren Emissionen vollständig kompensiert werden, gelten als klimaneutral. Hierzu gehört u. a. die Herstellung von Biodiesel als Treibstoff für Traktoren. Das Rapsöl entsteht durch Photosynthese unter Aufnahme von CO2 gemäß Gl. 4.1 bis Gl. 4.3. Wenn die Umesterungskomponente, CH3OH

105

durch Hydrierung aus CO2 gemäß Gl. 6.5 gewonnen wird, entspricht die Menge des bei der Verbrennung im Motor gebildeten CO2 jener, die bei den Synthesen eingesetzt wurde. Ein derart hergestellter Biodiesel wäre als CO2-neutral einzustufen. Der synthetische Dieselkraftstoff Oxymethylenether entsteht nach Gl. 6.15 ebenfalls durch Hydrierung aus CO2. Er wird jedoch nur zu etwa 15 % dem Dieselöl zugemischt. Die Hauptkomponente, das Dieselöl, ist ein Raffinerieprodukt der Petrochemie. Deshalb kann diese Kraftstoffmischung nicht als klimaneutral angesehen werden. Langfristig müssen viele organischen Synthesen auf die Verwendung pflanzlicher Rohstoffe sowie die Wasserstofftechnologien zur Reduzierung von CO2 umgestellt werden. Beispiele zur Nutzung von Pflanzenölen in der Chemie zur Synthese von Epoxidharzen sowie deren Verwendung als Fotolacke oder biologisch abbaubare Schäume sind im Sachbuch „Native Epoxide …“ zusammengestellt [7.21]. Von der Produktidee, dem Aufbau der technischen Anlagen, bis zur Auslieferung der ersten nicht mutagenen Epoxidharzformierungen waren 10 Jahre an Entwicklungsarbeit eines Teams von 15 Mitarbeitern erforderlich. Der Gedanke, die Wirtschaft bis zum Jahre 2050 CO2-neutral zu gestalten, berücksichtigt im Falle der Chemischen Industrie weder die relativ langen Entwicklungszeiten noch die Entwicklungskosten für die neuen Synthesen, stellt deshalb illusorisches Wunschdenken dar. Würde man den von der Chemischen Industrie benötigten Kohlenstoff allein aus der Reduzierung von CO2 gewinnen, wären nach Angaben von Wissenschaftlern der RWTH Aachen dazu etwa 18,1 PWh an regenerativer E- Energie notwendig.

7.4

Energieeinsparungen zur CO2-Reduzierung

Es scheint fraglich, ob eine adäquate Substitution fossiler Energieträger durch regenerative in einem relativ schmalen Zeitfenster von 20 Jahren technisch überhaupt realisierbar ist. Deshalb sind für die geplante Energiewende und die Verringerung der CO2Emissionen auch alle denkbaren Formen der Energieeinsparung von Interesse.

7.4.1

Einsparungen durch Technologieänderungen

7.4.1.1

Recycling von Kohlenstoff durch Pyrolyse

Ohne eine thermische Hausmüllentsorgung ist eine moderne Industriegesellschaft nicht überlebensfähig. Zusätzlich zu der Entsorgungsaufgabe erzeugen diese Betriebe EEnergie und Wärme. Die Energieerzeugung aus der Hausmüllverbrennung betrug im Jahre 2018 ca. 4,4 TWh. Das entspricht etwa 1 % der Gesamtenergieversorgung in Deutschland (Tab. 3.2). Die damit verbundenen CO2-Emissionen sind also nicht unerheblich. Allein im Bundesland Sachsen-Anhalt arbeiten sechs Anlagen (Tab. 6.4). Ihre Nachrüstung mit der oben genannten Konvertierungstechnik würde eine erhebliche Einsparung an CO2-Emissionen ergeben.

106

7 – Klimaschutzaktivitäten

Tab. 7.10: Müllverbrennungsanlagen in Sachsen-Anhalt

Betrieb

Müllmenge in kt/a 390

Hausmüll

630

Hausmüll

300

Hausmüll

Solvay

300

Bernburg

Solvay

600

Amsdorf

Romonta

65

Hausmüll für Heißdampf zur Sodatrocknung Haus und Industriemüll für Heißdampf zur Sodatrocknung Hausmüll + Kohle aus Montanwachsextraktion

Leuna Magdeburg Zorbau bei Weißenfels Staßfurt

Betreiber TREA Leuna MVV Umwelt GmbH mhkw Rothensee GmbH AWV Ostthüringen

Bemerkung

Bei der Abfallverbrennung besteht die Kohlenstoffquelle meist aus C-haltigen Reststoffen wie Kunststoff- oder Holzabfällen. Und natürlich wird bei der Verbrennung der Kohlenstoff ausschließlich zu CO2 umgewandelt. Eine technische Lösung, die Abfallbeseitigung CO2-frei zu gestalten, besteht in der Reststoffpyrolyse zum CO-Synthesegas: 𝐶+

1 𝑂 ⟶ 𝐶𝑂 2 2 Gl. 7.3

Abb. 7.1: Müllkonvertierung zu Synthesegas [6.6]

Dieses Verfahren wurde von der Fa. Sustec AG in Spreetal entwickelt. Dabei wird Hausmüll mit gemahlener Braunkohle gemischt und bei > 1300 °C in einem sogenannten

107

Schlackenbadreaktor pyrolysiert. Leider war der aus dem CO gewonnene CH3OH um 1 bis 2 Cent/Liter teurer als jener auf Erdölbasis. Das Verfahren wurde wieder eingestellt.

Abb. 7.2: Alternative Müllbeseitigung ohne CO2-Emission

Zum anderen bietet sich zur Nachrüstung bestehender Müllverbrennungsanlagen die Sabatierkonvertierung an. Man setzt das bei totaler Verbrennung entstehende CO 2 mit elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff zu CH 4 um. Gemäß Gl. 6.11 benötigt man zur Reduktion von 1 Mol CO2 3 Mol H2, bzw. mit 1 Nm3 H2 können 0,654 kg CO2 reduziert werden: 1 𝑁𝑚3 𝐻2 = 89,2 𝑔 𝐻2 = 654,1 𝑔 𝐶𝑂2 Gl. 7.4

7.4.1.2

Recycling von P-haltigen Klärschlämmen

Der Aufbau des ersten Phosphorofens begann auf Initiative von Rathenau bereits 1917 in Piesteritz. Sein Ausspruch „Mit Sprengstoff allein ist kein Krieg zu gewinnen“, bildet den Start zum Aufbau der Anlagen. Man versuchte, die landwirtschaftlichen Erträge durch die Herstellung von Düngemittelphosphaten zu erhöhen, den Nahrungsmittelmangel während des I. Weltkrieges im kaiserlichen Deutschland zu verringern. Heute zeichnet sich einerseits ein Mangel an mineralischen Rohstoffen zur Herstellung von Düngemittelphosphaten ab. Andererseits verursachen phosphathaltige Klärschlämme als potenzielle Rohstoffquelle Recyclingprobleme, nicht zuletzt dadurch, dass sie zum Teil mit Cd, Cr oder U belastet sind. Eine Phosphatherstellung über den P-Ofen-Prozess liefert prinzipiell zwar schwermetallfreie Düngephosphate, da der elementare P „über Kopf“ in einer Ar-Atmosphäre abgenommen wird und frei von Schwermetallen aller Art ist. Dennoch kommt der P-Ofenprozess, d. h. eine elektrothermische Reduktion der Phosphate mit Kohlenstoff bei 1700 °C gemäß Gl. 7.5

108

7 – Klimaschutzaktivitäten

𝐶𝑎3 (𝑃𝑂4 )2 + 𝑛 𝑆𝑖𝑂2 + 5 𝐶 ⟶ 2 𝑃 + 5 𝐶𝑂 + 3 𝐶𝑎𝑂 ∗ 𝑛 𝑆𝑖𝑂2 Gl. 7.5

zur Aufarbeitung der Klärschlämme aus Kosten- und Energiegründen nicht mehr infrage. Die Pufferfunktion der damaligen Öfen für die Kraftwerke kann heute durch elegantere, energiesparendere chemische Konvertierungen, z. B. die PtG-Verfahren (Kap. 6) übernommen werden. Zudem enthalten die Klärschlämme NH 4-Ionen. Phosphat- und Ammoniumionen lassen sich mit MgCl2 vorteilhaft gemeinsam aus dem Klärschlamm als Struvit abscheiden und damit wiedergewinnen [7.23]: 𝑀𝑔2+ + 𝑃𝑂42− + 𝑁𝑎4+ ⟶ 𝑀𝑔𝑁𝐻4 𝑃𝑂4 ↓ Gl. 7.6

Durch Erwärmen kann man das Ammoniak aus dem Phosphat austreiben. 𝑀𝑔𝑁𝐻4 𝑃𝑂4 Δ ⟶ 𝑀𝑔𝐻𝑃𝑂4 + 𝑁𝐻3− Gl. 7.7

Der Phosphatrest wird dann mit HCl in Phosphorsäure umgesetzt, das eingesetzte MgCl 2 dabei wieder zurückgewonnen: 𝑀𝑔𝐻𝑃𝑂4 + 2 𝐻𝐶𝑙 ⟶ 𝐻3 𝑃𝑂4 + 𝑀𝑔𝐶𝑙2 Gl. 7.8

Die Struvibildung stellt also zum P-Ofenprozess eine energiesparende Alternativtechnologie dar.

7.4.1.3

Veränderung der Rohstoffbasis für die Chemische Industrie

Die Energie- und Rohstoffbasis der Chemischen Industrie in Mitteldeutschland bildete bis 1991 die Braunkohle. Sie wurde zu Kohlenwasserstoffen hydriert, der Wasserstoff aus dem Synthesegas CO über das Wassergasgleichgewicht gemäß Gl. 6.3 gewonnen (C1-Chemie). Damit verbunden war die Emission großer Mengen an CO2. Bereits 1943 suchte man beim IG-Farben-Konzern nach Möglichkeiten, Synthesen zur CO 2Verwertung zu entwickeln. Die Synthese cyclischer Carbonate, hochsiedende Lösungsmittel, konnte jedoch nur einen sehr kleinen Teil an CO 2 nutzen. Dennoch sind die oben genannten Synthesen mit CO auch heute noch interessant, denn sie können mit grünem H2 C-haltige Reststoffe wieder zu chemischen Rohstoffen wandeln (Tab. 7.11, Zeile 2) und arbeiten damit CO2-neutral. Eine zweite Möglichkeit, Aliphatenchemie ohne Erdölbasis zu betreiben, basierte auf der Herstellung von Ethin aus den Calciumcarbidprozess (C2-Chemie) (Tab. 7.11, Zeile 4). Über die Zwischenstufen CH3CHO und Butadien bzw. CH2=CHCl wurden die Monomerbausteine für die Kautschuk- bzw. PVC-Polymerisation synthetisiert. In der ehe-

109

maligen Sowjetunion erfolgte fast zeitgleich die Kautschukherstellung aus der Dehydrierung von Bioethanol zu Acetaldehyd (Tab. 7.11, Zeile 5). Zucker für die Bevölkerung war in jenen Jahren Mangelware. Eine Umstellung der Rohstoffversorgung auf native Quellen begann vor etwa 20 Jahren mit dem Biodieselprozess. Als Nebenprodukt der Umesterung tritt dabei Glycerin auf. Es lässt sich thermisch in Acrolein wandeln. Dieser C3-Aldehyd könnte die zukünftige Basis zur Acrylsäureherstellung und zur Synthese von Polyacrylaten bilden. Sowohl die Verfahren der C1-Chemie auf Braunkohlenbasis als auch das C2-Verfahren auf Tab. 7.11: Veränderungen der chemischen Rohstoffbasis

Typ C1

1

Reaktion C + ½ O2 → CO (Synthesegas)

Prozess Hydrierung nach Fischer-Tropsch

Produkte KW )1

Braunkohlehydrierung Hydrierung nach Fischer-Tropsch

KW )1 KW )1

H2 aus regenerativer Energiequelle unter CO2-Recycling

synthetischer Diesel Polymere, Gummi Gummi

geplant

2

C1

CO2 + H2 → CO + H2O

3

C1

CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O

Hydrierung mit grünem H2

4

C2

5

C2

CaC2 + H2O → C2H2 + CaO C2H5OH → CH3CHO + H2

Elektrothermisch bei 2000 – 2300 °C Dehydrierung von Ethanol

6

C3

C3H8O3 → C3H4O + 2 H2O

thermische Spaltung von Glycerin

Bemerkung

H2 aus Wassergasgleichgewicht CO + H2O ⇄ H2 + CO2

Acrylsäure, Polyacrylate

bis 1991 Buna Werke C-Basis Steinkohle Dehydrierung von Bioethanol SU bis 1950 Nebenproduktverwertung der Biodieselproduktion

)1 KW aliphatische Kohlenwasserstoffe

CaC2-Basis zeichnen sich durch sehr hohe CO2-Emissionen entweder bei der Wassergasherstellung oder bei der Elektrizitätserzeugung aus. Nur in der Nähe des Sibirischen Wasserkraftwerkes bei Bratsk an der Angara mit riesigem Elektrizitätsüberschuss kann man sich den Calciumcarbidprozess noch großtechnisch leisten. Dennoch stellt CaC2 einen potenziell interessanten Energiespeicher für Energieüberschüsse aus regenerativen Energiequellen dar (Kap. 5.6.4). Ob pflanzliche Rohstoffe bei steigendem Nahrungsmittelbedarf erdölbasierte Rohstoffe in der Chemie zukünftig vollständig ersetzen können, scheint sehr fraglich. Aber C-haltige Reststoffe mit „grünem“ Wasserstoff durch FischerTropsch-Synthesen zu chemisch nutzbaren Synthesevorstufen zu wandeln, ist eine notwendige Option einer aufzubauenden Recyclinggesellschaft.

110

7.4.2

7 – Klimaschutzaktivitäten

Einsparung von Heizwärme

Heizenergie kann man z. B. dadurch einsparen, wenn mittels einer Wärmepumpe die elektrische Energie in Kompressionswärme gewandelt und zusätzliche Wärme aus einem Reservoir über einen Wärmetauscher gewonnen wird. Die Wärmebilanz ergibt sich dann zu etwa 2/3 aus der Reservoirwärme und nur zu 1/3 aus der elektrischen Energie zum Betreiben des Kompressors (Abb. 7.3). Nach Gl. 4.37 gestaltet sich die Wärmegewinnung zusätzlich dann vorteilhaft, wenn die Temperatur TK des Reservoirs hoch ist, also im Winter nicht wie bei einer Luft-Wärmepumpe kalte Winterluft komprimiert wird, sondern vorgewärmte Erdwärme. Denn je höher TK ist, umso größere Werte nimmt die Leistungszahl ε einer Wärmepumpe an: 𝜀 = 𝑇𝑊 /(𝑇𝑊 − 𝑇𝐾 ) > 3 Gl. 7.9

Abb. 7.3: Energieeinsparung durch Wärmepumpenbetrieb

Prinzipiell ist die Vorlaufwärme im Winter bei Erdwärmepumpenbetrieb größer als bei Luftwärmepumpen, denn TK sinkt nicht unter 8 bis 10 °C. Doch die Gewinnung von Erdwärme erfordert im Allgemeinen das Bohren von Brunnen. Sind jedoch Grubenschächte ehemaliger Bergbauanlagen, wie z. B. die Gruben vom Kupferschieferabbau in der Mansfelder Mulde noch zugängig, lassen sich diese vorteilhaft für die Wärmegewinnung nutzen. Die Installationen rentieren sich nur für Großabnehmer von Wärme, z. B. für eine zentrale Fernwärmeversorgung. Für Kleinverbraucher bietet sich dagegen eine Kopplung von PV-Anlage mit einer 5 bis 10 kWh Li-Ionen-Batterie und Wärmepumpe an (Abb. 7.4 A). Ferner kann man zur häuslichen Warmwasserversorgung auch Solarthermie-Elemente nutzen. Ihre Wirkung lässt sich ebenfalls durch eine Kopplung mit einer Wärmepumpe steigern (Abb. 7.4 B). In der Applikation A spart man E-Energie durch die Ankopplung an eine PV-Anlage. In der Applikation B führt man Wärme aus der Solarthermieanlage der Wärmepumpe im Vorlauf zu und spart durch geringere Pumparbeit Energiekosten.

111

Abb. 7.4: Einsparung von Heizwärme für Kleinverbraucher

Der Wirkungsgrad der Solarthermieanlage allein zur häuslichen Warmwasserbereitung ergibt sich wie folgt. Um die Temperatur bei der Warmwasseraufbereitung um 35 °C zu erhöhen, sind etwa 4 kW/d bzw. im Jahr 1460 kWh für einen Dreipersonenhaushalt notwendig. Davon können 40 bis 50 % durch eine Solarthermieanlage erbracht werden. Das entspricht einer Einsparung an E-Energie von 730 kWh im Jahr. Die Anlagen arbeiten 25 Jahre und amortisieren sich nach 18 bis 20 Jahren [7.34]. Dennoch wird die derzeitige Wärme auch bei guter Hausisolierung schlecht genutzt. Sie dient im Wesentlichen zum Erwärmen von Gebäudeteilen und Mobiliar. Mit wesentlich weniger Energie lässt sich dem menschlichen Körper ein Wärmegefühl vermitteln, wenn man jene Frequenz der Wärmestrahlung, die der Körper selbst emittiert, durch einen Wärmestein im Zimmer auf den menschlichen Körper abstrahlen lässt (Abb. 7.5). Es handelt sich dabei um eine breitbandige Wärmestrahlung von etwa 10 12 Hz. Diese Strahlung entspricht den Schwingungsbewegungen von OH-Gruppen körpereigner Strukturen. Der Wärmestein besteht aus einem Kristallwasser haltigen Mineral, und kann genau dieses Wellenband emittieren. Letztlich handelt es sich um eine Resonanzabsorption. Zur Emission der Wärmestrahlung wird der Stein durch ein Carbonfasernetz und eine elektrische 9-V-Heizung angeregt [7.24].

Abb. 7.5: Alternative zur Raumheizung

112

7 – Klimaschutzaktivitäten

Die derzeit übliche Strategie zur Einsparung von Wärmeenergie stellt allerdings die Gebäudeisolierung dar. Baumaterialien mit großen Wärmeleitwerten, wie Beton oder Ziegelsteine (Tab. 7.11, Zeilen 1 und 3), werden durch Isoliermaterialien mit geringen Wärmeleitwerten beschichtet. Ziel ist eine Unterbrechung des Wärmeflusses, ausgelöst durch die Kristallgitterschwingungen des Steinmaterials. Das gelingt zum einen durch Haufwerke aus anorganischen oder organischen Fasermaterialien, die Luft inkludiert haben (Tab. 7.11, Zeilen 4 und 5), zum anderen durch synthetische Schäume (Tab. 7.11, Zeilen 6 und 7). Der Wärmefluss in Dämmmaterialien aus Fasern wird dadurch unterbrochen, dass die zwischen den Fasern befindlichen dipollosen Gase O 2 und N2 als Hauptbestandteile der Luft nicht in der Lage sind, die Wärmestrahlung zu absorbieren und damit weiterzutransportieren. Tab. 7.12: Wärmeleitwerte von Bau- und Isoliermaterialien

Material bzw. Dämmstoff Beton 2 Holzfaserplatten 3 Ziegelstein 4 Steinwolle 5 Hanf 6 Styropor (Polystyren) 1

7

EP-Schaum (füllstofffrei)

Wärmeleitwert in W/m K 0,07 – 2,1 0,04 – 0,052 0,5 – 1,4 0,035 – 0,4 0,04 – 0,045 0,035 – 0.05 0,042 – 0,47

Bemerkung

Luft und Fasern Luft und native Faser Luft und synthetischer Schaum Luft und nativer Schaum

Bei Dämmmaterialien aus Hanffasern oder Schafswolle ist die Ökobilanz zweifelfrei positiv. Bereits nach zwei bis fünf Jahren übertrifft die Energieeinsparung durch Isolierung die investierte Energie für das Isoliermaterial und seine Anbringung. Für den synthetischen Schaum aus Styropor, dem derzeit am häufigsten verwendeten Dämmstoff, dagegen scheint die Ökobilanz recht zweifelhaft, da viel Energie zu seiner Herstellung aufgewendet werden muss [7.31]. Dazu kommt, dass das Altmaterial aus Styropor nicht recycelt wird. Hierbei handelt es sich keinesfalls um das Fehlen einer chemischen Wiederaufarbeitung. Vielmehr stehen ungewöhnlich hohe Transportkosten einem Recycling entgegen. Man transportiert einfach kaum Masse, sondern nur Luft und das rechnet sich nicht. EP-Schäume aus nativen Ölen von Lein-, Hanf- oder Drachenkopföl besitzen zwar eine bessere Energiebilanz bei der Herstellung als Styropor [7.21], das Transportproblem der Altmaterialien ähnelt jedoch dem vom Styropor.

7.4.3

Einsparung von Beleuchtungsenergie

Die Konvertierung von E-Energie in sichtbares Licht mittels Halbleiterkristallen bildet die Basis der LED-Sparlampen (Kap. 4.6.1). Durch Anlegen einer Spannung emittieren die Kristalle Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich von 400 nm (Violett) bis 750 nm (Rot). Die Halbleiter bestehen aus SE-Metall-dotierten anorganischen Oxiden,

113

Phosphaten, Boraten oder Aluminaten [7.30]. Die emittierte Lichtstrahlung ist nach Abb. 4.7 eigentlich monochrom, also farbig. Will man polychromatische, weiße Strahlung, das sogenannte Tageslichtweiß erzeugen, werden mehrere Lumophore miteinander gemischt. So besteht z. B. eine Dreiband-Leuchtstofflampe aus drei Leuchtstoffen, die jeweils einzeln in den Farben Blau, Grün und Rot emittieren, als Gemisch dann das Tageslicht emittieren (Tab. 7.12), das dem Sonnenlicht recht nahekommt. Tab. 7.13: Leistungsparameter einer Dreibanden-Leuchtstofflampe [7.26]

Leuchtstoff

λL in [nm] (Farbe)

BaMgAl10O17: Eu2+ (Ce,Gd,Tb)MgB5O10 Y2O3:Eu3+

450 (Blau) 542 (Grün) 611 (Rot)

Absorption bei 254 [nm] in % 90 95 75

Quantenausbeute in % 90 90 90

Die Lichtausbeute als Quotient aus dem erzeugten Lichtstrom in Lumen durch die angelegte elektrische Leistung in W, also lm/W ist bei LED-Lampen etwa um den Faktor 10 größer als bei Glühlampen (Tab. 7.13). Bei gleichem Lichtstrom erfordert die LEDLampe gegenüber der Glühlampe also eine 10-fach geringere E-Energie. LED-Leuchten werden zu Recht als Energiesparlampe bezeichnet. Tab. 7.14: Energieausbeute bei LED und Glühlampe

Leuchte LED Glühlampe LED Glühlampe

7.4.4

E-Energie in W 2,5 25 11 100

Lichtstrom in lm 250 220 1521 1340

Mobilitätswende

Früher beschränkte sich der Einsatz von Elektroenergie bei Transportsystemen im Wesentlichen auf den elektrischen Schienenverkehr. Doch derzeit werden weltweit große Anstrengungen unternommen, auch den Straßenverkehr elektrisch zu betreiben. Vorteil der E-Mobilität ist das schadstofffreie Fahren vor allem im Innenstadtbereich, Nachteil seine bisher erreichten zu geringen Reichweiten. Demgegenüber besitzt der Dieselantrieb bei hohen Energiedichten des Antriebsmittels den Vorteil einer großen Reichweite. Sein Nachteil besteht in den Schadstoff- und CO2-Emissionen. Besondere Bedeutung kommt der Umrüstung des Individualverkehrs zu. Neben E-Autos bieten sich zukünftig E-Bikes und E-Roller für verstopfte Innenstädte als Bewegungsmittel an. Für den Gebrauch des Autos im Individualverkehr sollte das Prinzip „Nutzen statt besitzen“ stärker als bisher zur Geltung gebracht, d. h. der Aufbau von Carsharingsystemen vorangetrieben werden.

114

7 – Klimaschutzaktivitäten

Die Beurteilung der Antriebssysteme auf ihren Klimaeinfluss gestaltet sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt recht schwierig. Man muss einmal die CO2-Emission pro gefahrenen Kilometer, zum anderen die Energiedichte des Antriebssystems und weitere umweltschädigende Emissionen von Ruß sowie NOx-Abgasen betrachten (Tab. 7.14). Tab. 7.15: Beurteilungskriterien für Transportenergien

Transportenergie

Energiedichte in kW/kg

CO2 in g/km

Ruß/ NOx

1

2

3

4

11,9 < 12 0,1 – 0,8 33,6

109 – 111 < 100 119 (Tendenz fallend!) >0

+/+ -/-

1

Diesel (Golf [4.13-4.15]) synthetischer Diesel 3 E-Mobilität (e-Golf) 4 H2-Brennstoffzelle 2

Es wurde bereits im Kap. 4.8 angedeutet, dass die CO2-Bilanz der E-Fahrzeuge im Moment noch jener von Verbrennungsmotoren entspricht (Tab. 7.14, Spalte 3) und Fahrzeuge mit E-Antrieb möglicherweise nur eine Brückentechnologie darstellen. Von der Fahrleistung und der CO2-Emission besitzen Antriebe mit Brennstoffzellen die günstigsten Voraussetzungen (Tab. 7.14, Zeile 4). Sie besitzen gegenüber E-Autos zudem noch zwei weitere Vorteile: Ihr Aktionsradius ist größer, das Auftanken erfolgt in kurzer Zeit. Doch sind die Anschaffungskosten pro Pkw mit 65*103 € derzeit noch unverhältnismäßig hoch. Tab. 7.16: Energieketten des Antriebmittels

1

Fahrzeugantrieb

Energiekette

Wirkungsgrad in %

1

2

3

1

H2-BSZ)

Kohlekraftwerk→E-Transport→Elektrolyse→VD→ BSZ→E-Motor 0,39 0,92 0,8 0.88 0,6 0,95 2 H2-BSZ Dampfreforming→ Verdichtung→ BSZ→ Li-Akku→ E-Motor 0,75 0,88 0,6 0,94 0,95 3 E-Antrieb PV-Wechselrichter →Li-Akku→Li-Akku→E-Motor 0,9 0,94 0,94 0,95 )1 BSZ Brennstoffzelle

0,14 0,35 0,75

Zur Beurteilung der Energieeffizienz eines Transportmittels betrachtet man die Energieketten der Konvertierungen. Aus der Analyse ergeben sich folgende Wirkungsgrade für den Brennstoffzellen- bzw. den E-Antrieb (Tab. 7.15, Spalte 3). Wird der elektrische Strom aus einem Kohlekraftwerk gewonnen, durch anschließende Elektrolyse der Wasserstoff und der eigentliche Antrieb des E-Mobils über Strom einer Brennstoffzelle realisiert, läge der Wirkungsgrad sehr niedrig bei ca. 14,5 %. Solange der Strom mit Kohlekraftwerken erzeugt wird, erscheint ein Brennstoffzellenantrieb mit grauer Primärenergie

115

also wenig sinnvoll. Gewinnt man dagegen den Wasserstoff durch Dampfreforming gemäß Gl. 6.1 und erzeugt den Strom des E-Mobils wieder mit einer Brennstoffzelle, so steigt der Wirkungsgrad bereits auf 35 %. Wirklich energiesparend und damit ökologisch fährt ein E-Mobil, wenn der Strom über eine PV-Anlage vom Hausdach gewonnen werden kann und dann zur Aufladung der Li-Ionenbatterie im Auto dient. Das batteriebetriebene E-Mobil hätte dann einen Wirkungsgrad von 75 % (Tab. 7.15. Zeile 3). Diese technologische Variante stellt allerdings derzeit noch eine Zukunftsvision dar.

7.4.5

Individuelle Energieeinsparpotenziale – der ökologische Fußabdruck

Die Verstromung fossiler Energieträger in Kohlekraftwerken verursacht nur ca. 34 % der CO2-Emissionen. Der überwiegende Teil der Emissionen kommt aus anderen Quellen. Alle menschlichen Tätigkeiten und Konsumgewohnheiten unterliegen einem Energieverbrauch und sind mit der Freisetzung von CO2 verbunden. Tab. 7.17: Durchschnittliche CO2-Emissionen (pro Person und Jahr)

Gebiet Heizung und Strom 2 Mobilität 3 Ernährung 4 sonstiger Konsum 5 öffentliche Einflüsse 6 gesamt 1

Emission in t/a [7.27] 2,4 2,18 1,74 4,56 0,73 11,61

Jeder Mensch hinterlässt durch sein Konsumverhalten einen persönlichen „energetischen Fußabdruck“. Der durchschnittliche Fußabdruck in Mitteleuropa lag im Jahre 2018 zwischen 11 bis 12 t/a CO2 pro Person, dürfte bei Einhaltung einer Klimaneutralität aber nur 1 t/a betragen. Besonders hoch fällt der CO2-Anteil zur Herstellung technischer Güter, wie Autos, Küchengeräte oder Möbel aus. Er liegt bei 4,56 t CO2/a (Tab. 7.16, Zeile 4) und ist Ausdruck für eine Wegwerfgesellschaft, die in kurzer Zeit immer wieder neue Techniken, Möbel oder andere Einrichtungsgegenstände anschafft und das alte dann wegwirft. Nicht unerheblich ist auch der Anteil Mobilität (Tab. 7.16, Zeile 2). Flug- und Schiffsreisen tragen zu einer starken CO2-Belastung bei. Aber selbst, wenn ein Bürger bescheiden nur von Brot und Wasser leben würde, er könnte die notwendige Grenze von 1 t CO2 /a nicht einhalten. Denn allein schon das Staatswesen produziert 0,73 t CO2/a (Tab. 7.16, Zeile 5), arbeitet ökologisch gesehen uneffektiv. Zu viele Beamte leisten sich z. B. zu viele Dienstreisen in zu großen Transportmitteln bzw. arbeiten in schlecht isolierten Räumen.

116

7 – Klimaschutzaktivitäten

Tab. 7.18: CO2-Emissionen bei menschlichen Aktivitäten [7.28]

Aktivität Fernsehen 2 Energiesparlampe 3 Waschmaschine 90 °C 4 Verkehr pro Person davon: Bahn Flugzeug 5 Fleischkonsum davon: Schwein Rind 1

6

CO2-Emission in g/Einheit 50 – 200 g/h 6 g/h 1060 g

Bemerkung

pro Waschgang

52 g/km 250 g/km 3,6 kg/kg 14 kg/kg

Konsum Apfel davon: regional Übersee

sinnvoller Konsum 15 kg/a und Person

31 g/kg 310 g/kg

Auch im Ernährungsverhalten des Einzelnen lassen sich abnorme CO 2-Emissionen feststellen. So beträgt in Deutschland der Fleischkonsum ca. 60 kg pro Person und Jahr. Gesundheitlich sinnvoll wäre eine Menge von etwa 15 bis 30 kg. Auch die Art des Fleisches beeinflusst die CO2-Bilanz nicht unerheblich. Rindfleisch von kraftfuttergefütterten Tieren besitzt eine 3,8-fach schlechtere CO2-Bilanz als Schweinefleisch (Tab. 7.17, Zeile 5). Haupteinflussfaktor der hohen CO2-Emissionen ist in den Industriestaaten der Einsatz von Harnstoffdünger Kap. 6.3.3 zur Getreideproduktion, denn 2/3 der Getreideernte wird an die Tiere verfüttert, dient nicht zur Herstellung von lebensnotwendigen Produkten, z. B. Brotgetreide. Neben exaltierten Konsumgewohnheiten bildet die Vernichtung von Nahrungsmitteln, es sind in Deutschland ca. 11 Mio. t/a, eine weitere Quelle für unnötige CO2-Emissionen. Würde in Deutschland mit lediglich etwas mehr 2 % der Welt-CO2-Emissionen (Tab. 7.18) ein Verzicht auf Flugreisen, Fleischkonsum oder sonstigen exaltierten Konsum eine Wirkung auf die Gesamtemission zeigen? Wohl kaum, und diese Aussage ist statistisch gesehen sicherlich richtig. Im Umkehrschluss gedacht, stellt sich jedoch die Frage, wenn nicht die hochentwickelten Industrieländer eine Abkehr in ihrem Konsumverhalten einleiten und ihre Produktionstechnologien auf CO 2-neutrales Handeln umstellen, wer soll mit der Energiewende beginnen? Wenn zukünftig über die Einführung einer CO 2-Steuer nachgedacht wird, dann, um jeden Einzelnen beim Energieverbrauch zum Nachdenken zu bringen, sparsam zu handeln. Die CO2-Abgabe kann zum Aufbau neuer Innovationen im Umweltschutz dienen. Tab. 7.19: Hauptemittenten an CO2 im Jahre 2016

Land China USA Indien

CO2-Emission in % 28,21 15,99 6,24

Land Russland Japan Deutschland

CO2-Emission in % 4,53 3,67 2,23

117

7.5

Das Gesellschaftskonzept einer Recyclinggesellschaft

Beim Wort Recycling denkt man zunächst an das Sammeln von Glas, Altpapier oder das Wiederverwerten der Massemetalle wie: Al, Fe, Cu, Pb, Zn usw. Doch zukünftig müssen alle Elemente des Periodensystems, also auch die Nichtmetalle C, N oder P recycelt werden. Man kann in baldiger Zukunft nur noch das konsumieren, was zuvor recycelt wurde. Im Falle des Elementes C steht dann jene Menge an Kohlenstoff für die Produktion von Gütern oder Energie zur Verfügung, die zuvor aus CO2 entweder natürlich durch die Photosynthese der Pflanzen oder synthetisch durch Reduktion mittels H2 recycelt werden konnte. Letztendlich hängt die recycelbare CO 2-Menge von der Energieeinstrahlung der Sonne ab. Ihre Verfügbarkeit ist endlich. Leider beginnt das Strategiepapier über die Energiewende mit den Worten „Wachstum, Strukturwandel und Arbeitsplätze“ [3.2]. Haben die Verfasser des Protokolls zum Kohleausstieg daran gedacht, dass die Flächen für Windparks und Solaranlagen schon heute beschränkt sind? Kennen sie die vor fast 50 Jahren vom Club of Rome erarbeitete Denkschrift über die Grenzen des Wachstums überhaupt? Die Schlussfolgerungen des damaligen Berichtes waren: „Wenn die gegenwärtige Zunahme der Weltbevölkerung, der Industrialisierung, der Umweltverschmutzung, der Nahrungsmittelproduktion und der Ausbeutung von natürlichen Rohstoffen unverändert anhält, werden die absoluten Wachstumsgrenzen auf der Erde im Laufe der nächsten hundert Jahre erreicht“ [7.29]. Offensichtlich wollen einige Politiker obige Aussage nicht wahrhaben, sonst würden sie nicht immer noch Wachstumsthesen propagieren. Ein Wachstum per se scheint in Anbetracht der sich abzeichnenden Klimaveränderungen unsinnig. Wachstum kann zukünftig vielmehr nur noch in ausgesuchten Wirtschaftszweigen und temporär beschränkt stattfinden, derzeit z. B. in der Gewinnung regenerativer Energien und ihrer Speicherung. Es wurde bereits gezeigt, dass die Hauptemittenten an CO 2 die Kohlekraftwerke sind. Aber die Kraftwerke arbeiten nicht zum Selbstzweck und emittieren nur ein 1/3 der CO 2Menge. Diese Kraftwerke sollen nach dem Strategiepapier der Kohlekommission bis 2038 vom Netz genommen werden [3.2]. Das ist sicherlich ein erster, richtiger strategischer Schritt, zukünftig CO2-neutral zu arbeiten. Ob die Details im Strategiepapier wortgetreu umsetzbar sind, scheint fraglich. Doch wird damit nicht die Studie an sich infrage gestellt, wie der Verein „EnergieVernuft Mitteldeutschland e. V.“ das neuerdings versucht zu propagieren [7.33]. Wesentlich größere Beachtung muss man in Zukunft den ca. 2/3 jener übrigen CO 2Emissionen schenken, die nicht durch die Kohleverbrennung verursacht werden. Die Sinnhaftigkeit manch lieb gewonnener Konsumgewohnheiten ist zu hinterfragen. Die Mentalität der Konsum- und Wegwerfgesellschaft ist hochgradig selbstzerstörerisch. Da durch Appelle an das Bewusstsein ein Umdenken wenig erfolgversprechend scheint, müssen bestimmte Produkte durch Verbot vom Markt genommen werden. Das könnte in der ersten Phase mit marktwirtschaftlichen Mitteln erfolgen, indem der Aufwand für das Recyceln auf den Preis der Produkte und Verpackungen aufgeschlagen wird. Zu diesen Produkten gehören u. a. Folien- und Kunststoffverpackungen, aber auch Umverpackungen aus Kartonage des Versandhandels. Letztlich muss das gesamte Verpackungssystem von Waren einem modernen Recyclingkonzept angepasst werden.

118

7 – Klimaschutzaktivitäten

Einen zweiten Schwerpunkt bilden Produkte, die mit den derzeitigen Technologien nicht recycelt werden können oder prinzipiell nicht recycelbar sind. Massemetalle, zu recyceln, ist Stand der Technik. Aber die Recyclingrate von Elektroaltgeräten in Prozent anzugeben und dabei nur die genannten Massemetalle zu recyceln, ist eine Selbsttäuschung, die letztlich zu weiteren Verlusten an Strategien Metallen führt. Die Verknappung dieser Rohstoffe durch die Verwendung immer kleinerer Bauteile, also Mikro- oder Nanostrukturen zu parieren, stellt nur eine temporäre Lösung dar. Kleinere elektronische Bauteile erfordern einen höheren Recyclingaufwand. Dabei werden Konzentrationen im Recyclinggut erreicht, die wegen Gleichgewichtseinstellungen sowohl bei den thermischen als auch nasschemischen Aufarbeitungstechnologien nur noch mit zusätzlichem Aufwand und damit CO2-Emissionen oder Verlusten an Metallen beherrschbar sind [7.32]. Wesensmerkmal der zukünftigen Recyclinggesellschaft ist der sparsamste Umgang mit allen denkbaren Ressourcen. Eine wichtige Ressource bilden die Ackerflächen. Sie dienen vordergründig der Nahrungsmittelproduktion, können, wie im Kap. 3.2.4 bereits erwähnt wurde, zugleich auch zur Energiegewinnung dienen. Eine Doppelstrategie in der Bodennutzung ließe sich über das Dorferneuerungsprogramm finanziell absichern. Die Bauern stellen die Intensivtierhaltung auf ökologische Tierhaltung um und erhalten durch die Energiegewinnung einen finanziellen Ausgleich. Im Dorf entstehen neue Arbeitsplätze für den Betrieb der Energieanlagen, sodass das Abwandern in die Ballungszentren unterbleibt. Die Dorfgemeinschaft könnte erhalten bleiben. Zum jetzigen Zeitpunkt steht ein antiquiertes Baurecht jedoch einer parallelen landwirtschaftlichen und gewerblichen Bodennutzung entgegen. Der Aufbau einer Recyclinggesellschaft erfordert von jedem Einzelnen zusätzliche Anstrengungen. Aber jeder Einzelne trägt durch seine Konsumgewohnheiten am CO2Ausstoß bei. Konsequenterweise sollte er zur CO2-Reduzierung für die Entwicklung neuer Recyclingtechnologien dann auch zahlen. Arbeiten die neuen Technologien dann noch effizienter als die alten, zahlen sich die notwendigen Investitionen später sowohl für den Einzelnen als auch die Gesellschaft aus. [7.28]

Literatur [7.1] de. statistica.com/statistik/studie37184 [7.2] Spiegel Online: Deutschlands CO2-Emissionen sinken – aber nicht nachhaltig. (8.1.2019) [7.3] www.umweltbundesamt.de/daten/klima/treibhausgasemissionen-in-deutschland [7.4] https://wirtschaftslexikon.gabler.de/definition/emissionshandel [7.5] www.focus.de/ratgeber/kosten /klimaschutz-experte. focus onlne (23.4.2019) [7.6] Netherlands Environmental Assessment Agency: Global Trends in CO2-Emissions Report (7. 8. 2016) [7.7] Umweltschädliche Subventionen in Deutschland. Umweltbundesamt, (12/2016) S. 44. [7.8] EG-Steuerrichtlinie (2003/96EG) (27.10.2003)

119

[7.9] Ending the aviation fuel tax exemption in Europe. In: EUROPÄISCHE BÜRGERINITIATIVE (10. Mai 2019) [7.10] https://www.bundesumweltamt.de Strom- und Wärmeerzeugung in Zahlen. (2018) [7.11] https://mediathek.fnr.de/graphiken/daten-und-fakten/bioenergie/biogas (2019) [7.12] R. Brdicka: Grundlagen der Physikalischen Chemie. VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin (1962) S. 262 [7.13] Papier hat eine schlechte CO2-Bilanz. https://at.twosides.info/Die-Herstellungvon-Papier-verbraucht-viel-fossile-Energie [7.14] R. Fehringer: Ökobilanz von Packstoffen: http:// www.verpachungswirtschaft.de/news/material/pavkstoffe-packmittel [7.15] E. Willer: PET contra Glas. www.enius.de/presse/487.html (12/2000) [7.16] Ph. R. Hoerr: Vergleichende CO2-Berechnungen … Masterarbeit Uni Gießen (2008) [7.17] V. Quaschning: Spezifische Kohlendioxid Statistiken. https://www.volkerquaschning.de/datserv/CO2-spez/index.php [7.18] de.statistica.com/daten/studie/12184/unfrage/co2.emissisionen [7.19] M. Rychlik: So viel CO2-Emissionen verursacht die Landwirtschaft. www.agrarheute.com (4/2019) [7.20] Gua GmbH Firmenbroschüre, “Kunststoffe und Energiebedarf“ (11/2005) [7.21] B. Adler: Native Epoxide und Epoxidharze – Ein Beitrag zur Ökologischen Chemie. Springer Spektrum (2017) S.68 ISBN 978-3-662-55613-0 [7.22] The European Union Emissions Trading System Review of Environmental Economics and Policy (2007) [7.23] J. Krämer, D. Frank: Phosphor zurückgewinnen. Nachrichten aus der Chemie 67 (2019) S. 26-29 [7.24] B. Adler: Photopolymerisation nativer Epoxide. DE 10 2007 0395 732 (14.8.2007) [7.25] Ch. Hochfeld: Strafsteuer für Spritfresser. MZ (22.7. 2019) [7.26] T. Jüstel et al.: Neue Entwicklung auf dem Gebiet lumineszierender Materialien. Angew. Chem. 110 (1998) S. 3250 – 3271 [7.27] K. Schächtele, H. Hertle: Rechner für ein internetbasiertes Tool zur Erstellung persönlicher CO2-Bilanzen.Forschungsauftrag im Auftrag des UBA ifeu Heidelberg (2007) [7.28] Glossar CO2 –Monitor: https//www.CO2-monitor.ch/de/informationen/glossar [7.29] U. Bardi: The Limits to Growth Revisited. Springer (2011) ISBN 978-1-44199415-8 [7.30] siehe [3.10] S. 85 [7.31] T. Wolff, J. Hüttenmeister: Die Ökobilanz von Dämmstoffen ist schwierig zu beurteilen. www1.wdr.de/wissen/technik/styropor (18.12.2017) [7.32 siehe [4.6] S. 145 – 147 [7.33] EnergieVernuft Mitteldeutschland e. V. MZ S. 14 (26.6.2019) [7.34] https://www.thermodo.de/info/erneuerbare-energie/wirtschaftlichkeit-solarthermie

8

Klimaschutzabkommen

8.1

Montrealabkommen

Am 16.9.1987 unterzeichneten 24 Staaten und die EU das Abkommen von Montreal. Es verpflichtet die Unterzeichnerstaaten zur Einstellung der Produktion von FCKW, Stoffe, die sowohl die Ozonschicht zerstören, als auch 14.000-fach stärker als das Klimagas CO2 wirken. Das Abkommen regelt den Umgang mit VOC- und NMVOC-Verbindungen. Es trat am 1.1.1989 in Kraft.

8.2

Kyoto-Protokoll

Das Protokoll zur Rahmenübereinkunft der Vereinten Nationen über Klimaänderungen, kurz Kyoto-Protokoll genannt, wurde am 11.12.1997 beschlossen und trat am 16.2.2005 in Kraft. Es legt völkerrechtlich verbindliche Zielwerte für den Ausstoß von sechs Treibhausgasen: CO2, CH4, N2O, FHKW, PFKW und SF6 zur Begrenzung einer globalen Erwärmung auf < 2 K fest. In der 1. Zeitperiode verpflichteten sich die Unterzeichnerstaaten im Zeitraum von 2008 bis 2012, ihre Treibhausgasemissionen um 5,2 % gegenüber dem Referenzjahr 1990 zu reduzieren. Für die zweite Verpflichtungsperiode wurde auf der Doharkonferenz vom 11/2012 festgelegt, die Emissionen der Klimagase bis zum Jahre 2020 gegenüber dem Referenzjahr um 20 % zu reduzieren. Zu den sechs obengenannten Klimagasen kam ein weiteres Gas, NF3 hinzu. Es wird u. a. für die Produktion von Flachbildschirmen und Solarmodulen eingesetzt,

8.3

Pariser Klimaschutzabkommen

Die Klimakonferenz von Paris fand 12/2015 statt. Als Ergebnis wurde das „Übereinkommen von Paris“ erarbeitet. Es stellt eine Vereinbarung von 197(6) Mitgliedstaaten der Vereinten Nationen UNFCCC dar und legt fest, dass die durch Klimagase wie z. B. CO2 verursachte Erderwärmung deutlich unter 2 °C gegenüber den vorindustriellen Werten begrenzt bleiben soll. Im Jahre 2017 kündigten die USA für das Jahr 2020 ihren Austritt aus dem Vertrag an. Die Vereinbarung von Paris trat am 4.11.2016 in Kraft. Alle Staaten bis auf die USA fühlen sich dem Abkommen weiter verpflichtet [8.2]. Die Ziele des Übereinkommens sind im Artikel 2 des UNFCCC wie folgt geregelt:

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122

8 – Klimaschutzabkommen

1. Begrenzung des Anstiegs der globalen Durchschnittstemperatur auf unter 2 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau, wenn möglich auf 1,5 °C, um die Risiken und Auswirkungen des Klimawandels deutlich zu reduziert; 2. Förderung der Klimaresistenz im Pflanzenanbau bei geringeren Treibhausgasemissionen in einer Weise, die nicht die Nahrungsmittelproduktion bedroht; 3. Lenkung der Finanzströme zu niedrigen Treibhausgasemissionen und zur Entwicklung von klimaresistenten Nahrungsmittelpflanzen.

8.4

Regelwerk von Kattowitz

Die 24. UN-Klimakonferenz fand vom 2. bis 15.12.2018 in Kattowitz statt. Es wurde das sogenannte Regelwerk von Kattowitz beschlossen. Darunter versteht man Transparenzregeln und Standards zur CO2-Erfassung, um die Vergleichbarkeit nationaler Anstrengungen zu dokumentieren. Unter anderem werden Schäden und Verluste, die durch den Klimawandel (Loss and Damage) verursacht werden, durch regelmäßige Bestandsaufnahmen erfasst. Ab 2020 müssen alle Staaten zweijährlich über Maßnahmen zur Senkung von Treibhausgasemissionen Bericht erstatten. Ab 2023 bilanzieren die Unterzeichnerstaaten im Zeitintervall von fünf Jahren über ihre Anstrengungen zur Senkung der Erderwärmung. Ab 2025 dokumentieren alle Industriestaaten und freiwillig die Schwellenländer ihre Finanzhilfen für Klimaschutzmaßnahmen. Industriestaaten legen im Zeitabstand von zwei Jahre einen Bericht über ihre Finanzhilfen für Anpassung im Klimaschutz vor.

Literatur [8.1] https://www.umweltbundesamt.de/themen/30-jahre-montreal-protokoll (1987) [8.2] W. Steffen et al.: Trajectories of the Earth System in the Anthropocene. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. (2018) doi:10.1073/pnas.1810141115.

9

Glossar

Abgasnormen EU-Norm für Pkw, Lkw und Busse zur Festlegung von Grenzwerten für CO, NOx, Kohlenwasserstoffe, Partikelmasse und -zahl, jedoch keine Vorgaben für CO2. Ab 1.9.2020 gilt die EU-Norm 2018/858 AFC Alkaline Fuel Cell, Brennstoffzelle mit KOH als Elektrolyt adiabatisch thermochemischer Vorgang, der ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung abläuft Akku wiederaufladbarer Energiespeicher aus galvanischen Zellen BHKW Blockheizkraftwerk, modular aufgebaute Energiegewinnungsanlage zur Erzeugung von E-Energie und Wärme. Der Antrieb des Stromgenerators erfolgt durch einen Verbrennungsmotor auf Gas- oder Ölbasis. bifazial lat. bi zwei und facies das Äußere, aus der Biologie übernommener Begriff für eine doppelseitige Nutzung Biogas Gasgemisch aus CH4 und CO2,, das durch Fermentation aus Pflanzen oder Gülle entsteht. Brennwert siehe Heizwert Brine4power Name für ein Strom-Speicher-Projekt in Salzkavernen CAES-Kraftwerke Compressed Air Energy Storage Druckluftspeicher-Gasturbinenkraftwerk Cermet Wortschöpfung aus Ceramic und Metall, Hartmetalle aus Metall- und Keramikmischungen Cetanzahl Parameter zur Charakterisierung der Zündwilligkeit von Dieselkraftstoffen. Je höher die Cetanzahl, umso zündwilliger ist der Kraftstoff. Die Cetanzahl wird nach der Untersuchungsvorschrift DIN 51773 bestimmt. CNG Compressed Natural Gas verdichtetes Erdgas Deionat vollentsalztes Wasser, das über einen Ionenaustauscherprozess aus Trinkwasser gewonnen wird und eine sehr geringe Leitfähigkeit von wenigen μS/cm besitzt. Es dient zur Dampferzeugung in modernen Kohlekraftwerken. Diathermie siehe Kurzwellentherapie Dichten Die Dichten von Gasgemischen ergeben sich aus den Masseanteilen der Komponenten i sowie ihren partiellen Dichten ρi zu: −1

𝜌𝐺 = (∑ 𝑤𝑖 /𝜌𝑖 ) Gl. 9.1

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mit den Massenanteilen wi 𝑤𝑖 = 𝑥𝑖 ∗ 𝑀𝑖 /𝑀 Gl. 9.2

sowie der mittleren Molmasse M: 𝑀 = ∑ 𝑥𝑖 ∗ 𝑀𝑖 Gl. 9.3

DMFC Direct Methanol Fuel Cell, Brennstoffzelle, an der CH3OH anodisch zu CO2 oxidiert, kathodisch der O2 zu Wasser reduziert wird. DMSO Abkürzung für Dimethylsulfoxid (CH3S=OCH3), stark polares, organisches Lösungsmittel EEG-Umlage gesetzlich festgelegtes Steuerelement für den Elektrizitätsverbrauch. Die Umlage dient zur Finanzierung der erneuerbaren Energiequellen und beträgt für das Jahr 2019 6,405 Cent/kWh. Die 4. Novellierung, das Energiesammelgesetz, erschien am 1.1.2019. EMK Der Begriff der elektromotorischen Kraft ist eine historische Bezeichnung für eine Spannung, also im physikalischen Sinne eigentlich keine Kraft. Der zahlenmäßige Wert der EMK einer galvanischen Kette, bestehend aus einer Anode und einer Kathode, ergibt sich aus der Differenz der beiden Halbpotenziale zu: 𝐸𝑀𝐾 = 𝑒𝐾 − 𝑒𝐴 Gl. 9.4

mit: eK Kathodenpotenzial, eA Anodenpotenzial. Energiedichte gespeicherte Energie pro Volumen oder Masse eines Körpers oder Brennstoffes. Sie wird in kWh/m3 oder kWh/kg bzw. in J/m3 oder J/kg angegeben und heißt bei Brennstoffen auch Heizwert. Die höchste Energiedichte besitzt der Wasserstoff mit 33 kWh/kg (Tab. 9.1, Zeilen 1 bis 3). Ein sehr guter chemischer Energiespeicher ist auch der Dieselkraftstoff mit 11.9 kWh/kg (Tab. 9.1, Zeile 6). Beide genannten Energiearten sind den bisherigen elektrischen Stromspeichern (Tab. 9.1, Zeilen 7 und 8) in der Energiedichte weit überlegen. Tab. 9.1: Energiedichten ausgesuchter Energieträger

Energieträger H2 2 H2 3 H2 4 Erdgas 5 CH3OH 6 Diesel 7 Li-Ionen-Akku 8 NiMeH-Akku 1

Energiedichte in kWh/kg > 33 > 33 > 33 12 5,53 11,9 100 – 180 ∗ 10-3 80 ∗ 10-3

Energiedichte in kWh/m3 3,3 530 2619 2580 4352 9912

Bemerkung Normaldruck 20 Mpa verflüssigt 20 MPa

125

Energieeffizienz bei Verbrennungskraftwerken der Quotient aus dem Produkt des spezifischen Heizwertes Hi eines Brennstoffes und dem spezifischen Verbrauch V der Maschine, also seinem Wirkungsgrad η: 𝜂 = 1/(𝐻𝑖 ∗ 𝑉) Gl. 9.5

V spezifischer Verbrauch, Hi Heizwert des Brennstoffes. Tab. 9.2: Energieeffizienz zur E-Energieerzeugung

E-Erzeugung Kohlekraftwerk GuD-Kraftwerk Dieselgenerator

Wirkungsgrad in % ≤ 40 60 50

Liegt z. B. der Heizwert eines Brennstoffes bei 11,6 kWh/kg und der spezifische Verbrauch der Wärmekraftmaschine bei 0,2 kg/kWh, so ergibt sich der Wirkungsgrad der EEnergieerzeugung nach (Gl. 9.5) zu: 1/ 11,6 ∗ 0,2 = 0,43, bzw. zu 43 %. Enthalpie thermodynamische Größe zur Beurteilung (elektro)chemischer Reaktionen und damit für die Konvertierungen von Strom in chemische Stoffe und umgekehrt von chemischen Stoffen zu Strom. Die Enthalpie ∆H setzt sich aus zwei Teilen zusammen: der freien Enthalpie ∆G, die bei reversiblen Vorgängen als Arbeit genutzt werden kann, und der gebundenen Energie T∆S, dem sogenannten entropischen Wärmeverlust: Δ𝐻 = Δ𝐺 + 𝑇Δ𝑆 Gl. 9.6

Je höher der Wärmeverlust T∆S, umso niedriger der Wirkungsgrad des Konvertierungsprozesses. Faradaysche Gesetze physikalische Gesetze zur Quantifizierung zwischen Strom- und Stoffmengen. Das erste Gesetz definiert die Proportionalität zwischen Strommenge und abgeschiedener (erzeugter) Stoffmenge bei einer Elektrolyse, das zweite Gesetz besagt, dass die abgeschiedene Menge eines Ions proportional seiner Ionenmasse geteilt durch seine Ladung, also dem sogenannten Val ist. Vereinigt man beide Aussagen, so gilt bei konstanter Stromstärke: 𝑚 =𝑘∗𝐼∗𝑡 Gl. 9.7

mit: m abgeschiedene Masse in g, I Stromstärke in A, t Elektrolysezeit in h und k = Ä/ 26,8, mit Ä Grammäquivalent des erzeugten Stoffes in g/val. Die Größe 26,8 wird zu Ehren Faradays auch als Faradaykonstante F bezeichnet. Sie beträgt F = 26,8 Ah/val bzw. F = 96.485 As/val. Die Faradayschen Gesetze bilden sowohl für die Elektrolyse als auch für das Laden von Batterien, Akkus oder galvanischen

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Zellen oder Brennstoffzellen den grundlegenden Zusammenhang zwischen den Stoffund Strommengen, bzw. der Ladezeit. FCKW Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe Sammelbegriff für F- oder Cl-haltige aliphatische Kohlenwasserstoffe Fossile Energieträger C-haltige Energieträger aus gespeicherter Sonnenenergie vergangener Zeiten mit unterschiedlichen Heizwerten und damit auch CO2-Äquivalenten (Tab. 9.3). Tab. 9.3: CO2-Emissionen fossiler Energieträger und CO2-Äquivalente

Energieträger Benzin (Erdöl) 2 Diesel (Erdöl) 3 Heizöl leicht (Erdöl) 4 Heizöl schwer (Erdöl) 1

kg CO2 /kWh 0,25 0,26 0,266 0,28

Energieträger Braunkohle 7 Torf 8 Steinkohle 9 Naturgas 6

kg CO2/kWh 0,36 0,38 0,34 0,20

Frank-Caro-Verfahren, Syntheseverfahren zur Kalkstickstoffgewinnung durch Umsetzung von Calciumcarbid und Luftstickstoff bei 1050 °C: 𝐶𝑎𝐶2 + 𝑁2 ⟶ 𝐶𝑎(𝐶𝑁)2 ⟶ 𝐶𝑎(𝑁 = 𝐶 = 𝑁) + 𝐶 Gl. 9.8

Mit Wasser reagiert der Kalkstickstoff zu Ammoniak: 𝐶𝑎𝐶𝑁2 + 3 𝐻2 𝑂 ⟶ 2 𝑁𝐻3 + 𝐶𝑎𝐶𝑂3 Gl. 9.9

Bis zur Inbetriebnahme der Hochdruckhydrierung von Luftstickstoff mit Wasserstoff im Jahre 1917 in den Leuna-Werken diente das F.-C.-Verfahren zur großtechnischen Gewinnung von Ammoniak. Heute produziert man nach dem Verfahren nur noch einen Kunstdünger mit insektizider Wirkung. Gitter In der Chemie und Mineralogie Kennzeichnungsform für die Morphologie von Materialien, in der Physik die Bezeichnung für ein nicht näher zu beschreibendes Umfeld, an das Energie abgegeben oder von dem Energie aufgenommen wird. Grenzwerte CO2 Parameter zur Charakterisierung der CO2-Emissionen von Straßenfahrzeugen. Bei PKW-Neuwagen gilt im Flottendurchschnitt bis zum Jahre 2021 ein zulässiger Grenzwert von 95 g CO2/km und bildet den Basiswert. Bis zum Jahre 2030 muss dieser Wert um 37,5 % abgesenkt werden [9.3]. Für Nutzfahrzeuge, also Lkw und Busse, verringern sich die Abgasgrenzwerte bis 2025 um 15 % bzw. bis 2030 um 30 % gegenüber den derzeitigen (2019) Emissionen [9.4] Grundlast Leistungsangabe zur Charakterisierung eines Stromnetzes während eines ganzen Tages [9.5]. Sie liegt in Deutschland bei ca. 40 Gigawatt, im Gegensatz zur Jah-

127

reshöchstlast mit 75 bis 80 Gigawatt. Als Grundlastkraftwerke bezeichnet man jene Kraftwerke, die ununterbrochen und möglichst nahe an der Volllastgrenze betrieben werden können. Hierzu gehören die Kohle- und die Kernkraftwerke, aber nicht die Energiegewinnung aus Wind- und Solarstromanlagen. GuD Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk, Kraftwerk nutzt primär die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase und sekundär den Dampf aus dem Abhitzekessel zum Antrieb von zwei unterschiedlichen Turbinensätzen. Heizwert Maß für die spezifisch nutzbare Wärmemenge eines Brennstoffes ohne Berücksichtigung der Kondensationsenthalpie des Wasserdampfes zum Unterschied zum Brennwert, dessen Größe unter Angabe der Kondensationsenthalpie erfolgt. Deshalb liegen die Brennwertangaben über denen der Heizwerte. H-Gas high caloric gas HGU gebräuchliche Abkürzung für eine Leitung zur Hochspannung-GleichstromÜbertragung Hypos Hydrogen Power Storage and Solutions, Projekt des Fraunhofer Institutes für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) Halle zur Herstellung und Speicherung von H2. IPCC Intergovermental Panel of Climate Change, auch als Weltklimarat bezeichnet, wurde 11/1988 vom Umweltprogramm der Vereinten Nationen gegründet. KKW Kernkraftwerke, mitunter auch als AKW für Atomkraftwerke bezeichnet Kraftstoffe für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren dienen die aus fossilen Rohstoffen gewonnenen Kraftstoffe: Benzin, Kerosin und Dieselöl (Tab. 9.4). Sie werden nach Kenngrößen wie: Dichte, Heizwert oder CO2-Äquivalenten charakterisiert. Tab. 9.4: Kennwerte Benzin und Diesel [9.6]

Kenngrößen

Benzin

Diesel davon Flugbenzin (Kerosin)

Verbrauch in Mio. m3/a Dichte (15 °C) in kg/L

25 0,72 – 0,775

Heizwert in kWh/kg CO2-Äquivalent kg CO2/L

11,1 – 11,6 2,32

0,757 – 0,84 11,9

20,8 0,82 – 0,845 12,6 2,62

Kurzwellentherapie Therapie mit hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldern von 13,56, 27,12 oder 40,68 Hz. Die Felder dringen in den Körper bis zu 20 cm ein und werden dabei durch Polarisationseffekte teilweise geschwächt. Dieser Energieverlust führt im Körper zu einer Wärmeentwicklung. Die Anwendung erfolgt zur Schmerztherapie, bei Arthrose oder Durchblutungsstörungen [9.7]. LED Light Emitting Diode auch als Leucht- oder Fluoreszenzdiode bezeichnetes elektronisches Halbleiter-Bauelement L-Gas low caloric gas

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LGL Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit im Freistaat Bayern mit Sitz in München LNG Liquefied Natural Gas 90 bis 98 %-iges Methangas auf -191 bis -164 °C gekühlt und damit zum Transport verflüssigt LPG Liquefied Petroleum Gas Flüssiggasgemisch zum Antrieb von Verbrennungsmotoren, meist mit variabler Zusammensetzung aus Butan und Propan mit einem Heizwert von 12,8 kWh /kg und einem CO2-Ausstoß von 0,236 kg CO2 /kWh. Lumen Maßeinheit für die Größe des Lichtstroms als Produkt des Lichtstromes in Candela (cd) und dem Raumwinkel in Steradiant (sr) definiert: 𝑙𝑚 = 𝑐𝑑 ∗ 𝑠𝑟 Gl. 9.10

LUCOLED Akronym aus Lumineszenz Conversion Light Emitting Diode, LED mit Strahlungskonversion zu kürzerer oder längerer Wellenlänge Markenrichtlinien Richtlinie für den CO2 Ausstoß, z. B. für die Automarke MercedesBenz liegt die Norm bei 132 g CO2 pro km. Netzagentur Bundesbehörde, die den Wettbewerb von fünf Netzen: Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahn kontrolliert und dem Wirtschaftsministerium unterstellt ist. NIR-Spektroskopie Near Infrarot Spektroskopie im Wellenlängenbereich von 760 bis 2000 nm, das entspricht 13.000 bis 4.000 cm-1. Die NIR-Strahlung kann trübe Medien durchdringen, z. B. einen gefüllten Fermenter zur Biogaserzeugung und wird deshalb zur online Prozessanalytik eingesetzt. NMVOC Non-Methan Volatile Organic Compound nicht methanhaltige, flüchtige organische Verbindungen, bei deren Umgang Teilmengen, durch ihren relativ hohen Dampfdruck bedingt, bereits bei 300 K in die Atmosphäre entweichen können. PEDOT Akronym für Poly-3,4-ethylendioxythiophen, elektrisch leitendes Polymer PEM proton exchange membrane Abkürzung für eine H3O+-Ionen durchlässige Polymermembran, mitunter auch als polymer electrolyte membrane bezeichnet, Sie trennt stofflich den Kathoden- vom Anodenraum, nur die Protonen können die Membran passieren. PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Brennstoffzelle mit Polymermembran, durch die H3O+-Ionen zum Ladungsaustausch die Elektronenräume durchwandern können. photonische Kristalle transparente Festkörper aus periodischen Anordnungen von Nanostrukturen, die durch Beugung und Interferenz die Bewegung von Photonen beeinflussen, z. B. Strahlung bestimmter Wellenlängen unterdrücken. Sie bestehen aus Halbleitern, Gläsern oder Polymeren. Plug-in-Hybrid Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb. Die Batterie kann mittels Steckdose aufgeladen werden und wird deshalb auch Steckdosenhybrid genannt.

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PMG Permanent Magnet Generator, ein Elektrogenerator, der statt elektromagnetischer Spulen das Magnetfeld durch starke Permanentmagnete aus SE-Metall-Legierungen aufbaut. Polarisation In der Elektrochemie versteht man unter Polarisation die Ausbildung einer EMK, die der angelegten Elektrolysespannung entgegen gerichtet ist. Erst nach Aufbringen einer Zersetzungsspannung (eA - eK) fließ ein Faradayscher Strom IR: 𝑈 = 𝐼𝑅 Faradaystrom

+

(𝑒𝐴 − 𝑒𝐾 )

Zersetzungsspannung Gl. 9.11

und die Elektrolyse beginnt. Die Polarisation kann sowohl aus einem reversiblen als auch irreversiblen Anteilen bestehen (siehe auch Überspannung). Power-to-Gas, auch als PtG-Prozess bezeichnet, stellt eine Konvertierung von EEnergie zu Wasserstoff dar. Regelarbeitszeit Begriff aus der Energiewirtschaft zur Umrechnung der installierten Kraftwerksleistung von kW in Kraftwerkskapazität von kWh. Dazu wird der Faktor von 4600 h als Regelarbeitszeit, auch als Volllaststunden bezeichnet, verwendet. Die Leistung eines Wasserkraftwerkes von 4,7 GW entspricht dann einer jährlichen Kapazität von 21,62 TWh. RFC regenerative fuel cell, Brennstoffzelle mit umkehrbaren Arbeitsprozessen, die sowohl E-Energie in H2 als auch umgekehrt H2 in Strom wandeln kann. Scheinwiderstände Durchströmt Wechselstrom einen metallischen Leiter, treten neben dem Ohmschen Widerstand noch zwei sogenannte Scheinwiderstände, auch als Blindwiderstände bezeichnet, auf: der induktive und der kapazitive Widerstand. Beide Widerstände führen zu einer zeitlichen Phasenverschiebung zwischen der Spannung und der Stromstärke und sind frequenzabhängig. Die Größe des induktiven Widerstandes ist der Frequenz direkt proportional, der kapazitive Widerstand wird dagegen mit zunehmender Frequenz geringer. Die Bezeichnungen „Blind“ oder „Schein“ sollen verdeutlichen, dass elektrische Wirkleistung nicht in thermische Energie konvertiert wird und damit nicht verloren geht. Schiefergas Erdgas aus nicht gasdurchlässigem Schiefergestein, das zur Gewinnung durch spezielle Fördertechniken mittels Druck und Chemikalien aus dem Gestein ausgetrieben werden muss. SE-Metalle 14 Elemente aus der Untergruppe der Seltenen Erden. Für die Erzeugung und Speicherung von E-Energie werden vor allen die Elemente Ce, La, Nd und Dy eingesetzt. Silicagel amorphes SiO2 fester Konsistenz und hoher innerer Oberflächen von 600 m2/kg, wirkt stark hygroskopisch und kann z. B. große Mengen H2O aufnehmen. Silphie botanisch Silphium perfoliantum, gelbblühende, mehrjährige Bioenergiepflanze, ursprünglich aus Nordamerika stammend SMR smal modular reactor, kleiner transportabler Kernreaktor mit etwa 20 MW Leistung

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SNG synthetic natural gas, synthetisches Methan, das aus der Umsetzung von CO 2 und H2 gewonnen wird. SOFC Solid Oxide Fuel Cell, Hochtemperatur Brennstoffzelle aus keramischem Material, bei der der Landungstranport durch O2--Ionen erfolgt. SSK Strahlenschutzkommission, 1974 gegründetes Beratungsgremium der Bundesregierung in Angelegenheiten des Schutzes vor ionisierender und nicht ionisierender Strahlung Stack Bezeichnung für eine galvanische Zelle aus mehreren Kammern, vom engl. stack für Stapel abgeleitet. TAB Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag Trolleybus engl. trolley Rolle, Busse mit Kontaktrollen zur Stromabnahme aus Oberleitungen TRBS Technische Regeln für Betriebssicherheit. Speziell für den Umgang mit H2 berät der TÜV SÜD über das Gefährdungspotenzial und zertifiziert Anlagen. Überspannung heißt bei Elektrolysen jene Potenzialdifferenz, die sich zwischen dem Redoxpotenzial der beiden Halbpotenziale und der tatsächlich anliegenden Spannung ergibt. Sie setzt sich aus dem anodischen und kathodischen Anteil zusammen: Δ𝐸 = 𝜂𝐴 + 𝜂𝐾 Gl. 9.12

Ursache der Überspannung können zu hohe Stromdichten, Diffusionsprozesse der Elektrolyten, Adsorption und Desorptionen der Reaktanten an den Elektrodenoberflächen oder die Struktur des Elektrodenmaterials sein. Tab. 9.5: Überspannung in Abhängigkeit von Elektrodenmaterial und Oberfläche bei der Wasserstoffabscheidung (Stromdichte 10-4 A/cm2)

Metall Pt Pt Fe Hg

Oberfläche platiniert glatt glatt glatt

Überspannung in V - 0,003 - 0,09 - 0,25 - 0,83

Überspannungen treten auf, wenn Elektrolysereaktionen kinetisch gebremst sind. Dabei bestimmt der langsamste Reaktionsschritt die Höhe der Überspannung. Bei der Elektrolyse von Wasser erfolgen zur Bildung von Wasserstoff fünf Reaktionen auf: 𝐻3 𝑂 + ⇄ 𝐻2 𝑂 + 𝐻 + Gl. 9.13

𝐻+ + 𝑒 − ⇄ 𝐻 Gl. 9.14

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𝐻 ⇄ 𝐻(𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡) Gl. 9.15

2 𝐻(𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡) ⇄ 𝐻2 (𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡) Gl. 9.16

𝐻2 (𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡) ⇄ 𝐻2 (𝑔𝑎𝑠𝑓ö𝑟𝑚𝑖𝑔) Gl. 9.17

Die Entladung des Wasserstoffs an Metalloberflächen (Gl. 9.14) ist die langsamste Reaktion und bestimmt die Höhe der Überspannung. Beispiel: Bei der Elektrolyse wässriger HCl sind zwei unterschiedliche Reaktionen denkbar, einmal die Elektrolyse von HCl unter Bildung von Cl2 und H2, zum anderem die Elektrolyse des Wassers unter Bildung von O2 und H2. Letztgenannte Reaktion unterbleibt jedoch, da überspannungsbedingt ihr Potenzial mehr als ein Volt höher liegt als das der HCl-Elektrolyse: 2 𝐻 + + 2 𝐶𝑙 ⟶ 𝐻2 + 𝐶𝑙2 Δ𝐸 = 2,099 𝑉 (𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙 + Ü𝑏𝑒𝑟𝑠𝑝𝑎𝑛𝑛𝑢𝑛𝑔) Gl. 9.18

2 𝐻2 𝑂 + 4 𝐻 + ⟶ 𝑂2 + 4 𝐻2 Δ𝐸 = 3,212 𝑉 (𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙 + Ü𝑏𝑒𝑟𝑠𝑝𝑎𝑛𝑛𝑢𝑛𝑔) Gl. 9.19

Umrechnungen explizit werden physikalische Größen von Energien des elektromagnetischen Spektrums sowie kalorischer Größen beschrieben. U1: Größen des elektromagnetischen Spektrums Das elektromagnetische Spektrum umfasst Strahlung von 1 bis 1014 MHz, also von Radiowellen, der Wärmestrahlung, der sichtbaren und UV-Strahlung bis zur Röntgenstrahlung. Tab. 9.6: Spektralbereiche im elektromagnetischen Spektrum

Spektralbereich (Applikationen) 1 Radiowellen (MRT, Kurzwelle) 2 Mikrowellen (Heizgeräte) 3 Infrarot (IR) (Wärmestrahlung) 4 sichtbares Licht (VIS) (LED, Photovoltaik) 5 Ultraviolette Strahl. (UV) (Photovaltaik, Solarthermie) 6 Röntgenstrahlung (Röntgendiagnose)

Wellenlänge λ in [nm bis cm]

Wellenzahl 1/λ in [cm-1]

-

-

Frequenz ν in [Hz bzw. 1/s] 106 – 108

60 – 0,3 [cm] 102 – 2,5 [μm]

0,016 – 3,3 102 – 0,4*104

5*108 – 1*1011 3*1010 – 1,2*1012

700 – 400 [nm]

1,42 – 2,5*104

4,28 – 7,5*1014

400 – 190 [nm]

2,5 – 5,26*104

> 1014 – 1018

0,1 [nm]

-

> 1018

132

Die Charakterisierung der Strahlung erfolgt in der Praxis jedoch nicht ausschließlich in Frequenzen 𝜈, sondern u. a. auch nach Wellenlägen λ bzw. Wellenzahlen 1/λ = ν̅. Der Gebrauch verschiedener Größen ist allein historisch determiniert. Der Zusammenhang zwischen den drei physikalischen Größen ist über die Lichtgeschwindigkeit c gegeben. Sie beträgt 2,997 925 * 108 m/s. Es gilt: 𝑐 =𝜆∗𝜈 Gl. 9.20

Für die Energie der Strahlung ergibt sich: 𝐸 = ℎ ∗ 𝜈 = ℎ ∗ 𝑐/𝜆 = ℎ ∗ 𝑐 ∗ 𝜈̅ Gl. 9.21

wobei die Größe h das Plancksche Wirkungsquantum ist und 6,626 10 -34 J/s beträgt. Mithin ist die Wellenzahl 1/λ = 𝜈̅ cm-1 eine Energie proportionale Größe. Es gelten folgende Umrechnungen: 1 = 𝜈̅𝑐𝑚−1 = 104 /𝜆𝜇𝑚 = 107 /𝜆𝑛𝑚 𝜆 Gl. 9.22

Das Elektronenvolt ist ebenfalls eine Energiegröße, u. a. zur Angabe der Energielücke in Halbleitern. Dabei entspricht 1 eV = 8,066*103 cm-1 = 1236 nm (NIR-Bereich). Die Umrechnung ergibt sich mit den drei Naturkonstanten e = 1,602*10-19 C für die Elektronenladung, dem Wirkungsquantum h = 6,6∗10-34 J s, der Lichtgeschwindigkeit c = 3*108 m/s sowie der Umrechnung 1 C = 1 A s bzw. 1 V = 1 W/A zu: 1 𝑒𝑉 = ℎ 𝑐/𝜆 Gl. 9.23

𝜆 = ℎ ∗ 𝑐/𝑒𝑉 Gl. 9.24

𝜆 = 1,236 ∗ 103 /𝑒𝑉 Gl. 9.25

U2: kalorische Größen von: Energiemenge, Speicherkapazität und Druck 1 𝐽 = 1 𝑘𝑔𝑚2 /𝑠 2 Gl. 9.26

133

Generator- oder Motorleistung 1 𝑊 = 𝐽/𝑠 = 1 𝑘𝑔 𝑚2 /𝑠 3 Gl. 9.27

Umrechnungen Watt in Joule 1 𝑊𝑠 = 1 𝐽 = 1 𝑘𝑔𝑚2 /𝑠 2 Gl. 9.28

1 𝑘𝑊ℎ = 3,6 ∗ 106 𝐽 = 3,6 𝑀𝐽 Gl. 9.29

1 𝑀𝐽 = 0,27778 𝑘𝑊ℎ Gl. 9.30

1 𝑃𝑎 = 1 𝑘𝑔/𝑚𝑠 2 = 10−5 𝑏𝑎𝑟 Gl. 9.31

Umrechnung von Druck in Energie Das Produkt aus dem Druck p und dem Volumen v stellt eine Energieangabe dar. Um ein Volumen von 1 m3 auf 1 Pa zu erhöhen, benötigt man: 𝑝∗𝑣 =

1𝑘𝑔 1𝑘𝑔𝑚2 3 ∗ 𝑚 = = 1 𝐽 = 1𝑊𝑠 𝑚𝑠 2 𝑠2 Gl. 9.32

URFC unitized regenerative fuel cell, Brennstoffzelle zur H2-Erzeugung aus E-Energie und Rückverstromung des H2 zu E-Energie. UNFCCC United Nations Framework Convention on Climate Change, Rahmenübereinkunft der Vereinten Nationen über Klimaänderungen Val Masse- bzw. Mengeneinheit in der Chemie, die aus dem Quotienten von Atommasse in Gramm g und der Wertigkeit n eines Ions gebildet wird: 1 𝑣𝑎𝑙 = 𝑔/𝑛 Gl. 9.33

Verlustleitung Verlust bei der Stromübertragung, die bei gleicher Wirkleistung quadratisch mit der Höhe der Spannung abnimmt. VOC Volatile Organic Compound, Sammelbegriff für leicht verdampfbare organische Stoffe, z. B. Lösungsmittel Wärmeäquivalent Umrechnungsfaktor zwischen elektrischer und Wärmeenergie. Es gilt:

134

𝑉𝐴𝑠 = 0,239 𝑐𝑎𝑙 = 1 𝐽 Gl. 9.34

und 1 𝑘𝑊ℎ = 1000 𝑊 ∗ 3600 𝑠 = 3,6106 𝑊𝑠 = 3,6106 𝐽 Gl. 9.35

Wärmeleitzahl spezifischer Transportkoeffizient, der den Wärmestrom durch ein Material charakterisiert. Die Wärmeleitzahl λ besitzt die Einheit W/m K. Wp Maßeinheit für die Leistung von Photovoltaikanlagen. Unter einer Peakleistung Wp versteht man die Leistung von Photovoltaikzellen unter Standardbedingungen [9.8]. Wirkungsgrad Nach Carnot ergibt sich die theoretisch nutzbare Menge an Arbeit bei der Umwandlung von Wärme aus der Temperaturdifferenz des heißen und des kalten Zustandes zu: 𝜂𝑐 = 1 − 𝑇𝐾 /𝑇𝐻 Gl. 9.36

mit ηc Carnotscher Wirkungsgrad in %, TK kalter Zustand, TH heißer Zustand Den theoretischen Wirkungsgrad des Photovoltakprozesses erhält man z. B. zu: 𝜂 = 1 − 𝑇𝑆𝑜𝑛𝑛𝑒 /𝑇𝐸𝑟𝑑𝑒 Gl. 9.37

mit: Tsonne 5800 K und TErde 300 K Er beträgt etwa 95 %. Praktisch wird ein Teil der Energie aber durch die Atmosphäre absorbiert, sodass etwa nur 85 % nutzbare Sonnenenergie zur Verfügung stehen. Technisch lassen sich mit Halbleitermodulen derzeit nur ca. 20 % gewinnen. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen hängt vom Entropiezuwachs bei der elektrochemischen Reaktion ab, Im Falle der Umsetzung von CH 4 mit O2 zu CO2 beträgt die Entropie ∆S = 0, der Wirkungsgrad η =1. Die Reaktion von H 2 mit O2 ist mit einem Anwachsen der Entropie von 44,4 kJ/K mol verbunden, d. h. der Wirkungsgrad beträgt dann nur: 𝜂 = 1 − 𝑇Δ𝑆/Δ𝐻 Gl. 9.38

mit: ∆H Reaktionsenthalpie, ∆S Entropie, T Temperatur. Führt man jedoch die entstehende Wärme an ein Blockheizwerk ab, erreicht man einen Wirkungsgrad von η ≤ 1.

135

Tab. 9.7: Wirkungsgrade von technischen Prozessen

Prozess Strom aus Brennstoffzelle H2 über Erdgasreforming Strom aus Kohle Stromtransport H2-Verdichtung H2 über Elektrolyse Strom aus Li-Akku E-Motor Strom aus PV-Anlage

Wirkungsgrad in % 60 0,75 0,38 0,92 0,88 0,8 0,94 0,95 0,9

Bemerkung Gl. 6.1

700 bar Gl. 9.16

YAG Yttrium-Aluminium-Granat Y3Al2(AlO4)3: Ce bei dem ca. 100 ppm der Y3+-Ionen durch Ce3* ersetzt sind. YSZ-Keramik Yttriumoxid stabilized Zircona, ZrO2-Y2O3-Keramiken, die als mechanisch hochfeste und temperaturbeständige Konstruktions-Werkstoffe sowie als Heizleiter Anwendung finden [9.2]. Der Einbau von Y3+-Ionen in das ZrO2-Gitter gelingt nur aufgrund der Ähnlichkeit beider Ionenradien (Zr4+ = 84 pm und Y3+ = 101,9 pm). Zechstein Erdformation des Dias, im nördlichen Mitteleuropa vor etwa 260 bis 250 Mio. Jahren aus dem Zechsteinmeer gebildete Sedimentationen mit reichen Bodenschätzen an Metallen, Kali- und Steinsalz sowie Anhydrid. Zeolithe Stoffklasse der Alumosilikate mit unterschiedlichem Kristallwasser und hohen inneren Oberflächen, u. a. als Sorptionsmittel für die Wasseraufnahme geeignet. Zyklenzahl Zahl der Speicher- und Entladungsvorgänge eines Energiespeichers.

Literatur [9.1] D. de Graaf, R. Fendler: Biogaserzeugung in Deutschland, Programm 2007 bis 2013 BUA, https:// www.umweltbundesamt.de [9.2] siehe [4.6] S. 72 [9.3] www. dw.com/de/eu-vorschrift-co2-grenzwert (DW 17.12.2018) [9.4] www. spiegel.de (Spiegelonline 19.2.2019) [9.5] C. Kemfert: Die andere Klima-Zukunft. Innovation statt Depression. Hamburg (2008) Murmann-Verlag, S. 161 SKU 978 3867740470 [9.6] M. Hilgers: Nutzfahrzeugtechnik: Kraftstoffverbrauch und Verbrauchsoptimierung. Springer-Vieweg (2016) ISBN 978-3-658-12 750 [9.7] J.-M. Hahn: Checkliste Innere Medizin. Thieme Stuttgart (2013) [9.8] Physikalisch-Technische Bundesanstalt: Das Internationale Einheitensystem. PTBMitteilungen 117 (2007), Heft 2, S. 2

Verzeichnis der Wissenschaftler Bergius Friedrich, 1884 – 1949, deutscher Chemiker, entwickelte in den Leuna Werken die direkte Hydrierung der Braunkohle zu Benzin und Diesel, 1931 Nobelpreis für Chemie. Carno Nicolaus Leonard Sadi, 1796 – 1832, französischer Physiker, verfasste Abhandlungen zum Wirkungsgrad von Dampfmaschinen und zur Thermodynamik. Caro Nikodem, 1871 – 1935, deutscher Chemiker, entwickelte mit Frank die Cyanamidsynthese durch Umsetzen von Calciumcarbid mit Luftstickstoff (Frank-CaroVerfahren). Cowper Edward Alfred, 1819 – 1893, englischer Ingenieur und Erfinder, baute 1857 den ersten Winderhitzer. Einstein Albert, 1878 – 1955, deutscher Physiker, 1921 Nobelpreis für Physik für die Entdeckung des photoelektrischen Effektes, Hauptwerk Relativitätstheorie, lehrte in Berlin und Princeton (USA). Faraday Michael, 1791 – 1867, englischer Physiker, Prof. für Chemie und Elektrochemie. Fermi Enrico, 1901 – 1954, italienischer Kernphysiker, Nobelpreis für Physik 1938, baute 1942 den ersten Kernreaktor in Chicago. Fischer Franz, 1877 – 1947, deutscher Chemiker, entwickelte mit H. Tropsch am KWI für Kohleforschung in Mühlheim an der Ruhr 1925 ein Verfahren zur Konvertierung von Kohle zu flüssigen Produkten (Fischer-Tropsch-Verfahren). Frank Adolf, 1934 – 1916, deutscher Apotheker und Chemiker, entwickelte mit Caro das Kalkstickstoffverfahren. Frenkel Jakow Iljitsch, 1894 – 1952, russischer Festkörperphysiker führte die Begriffe Photon und Tunneleffekt in die Physik ein. Joule James Prescott, 1818 – 1989 englischer Physiker, entdeckte das Gesetz über die Stromwärme. Junkers Hugo, 1859 – 1935, Ingenieur, Erfinder und Unternehmer, gründet 1895 in Dessau die Firmen: Junkers & CO, später die Junkers Motorenbau GmbH und die Junkers Flugzeugwerke AG am gleichen Standort, 1934 vom NS-Regime enteignet. Nernst Walter, 1869 – 1841, deutscher Physikochemiker, lehrte in Göttingen und Berlin, arbeitete auf dem Gebiet der Elektrochemie und Thermodynamik (3. Hauptsatz), 1920 Nobelpreis für Chemie. Ohm Georg Simon, 1789 – 1854, deutscher Schlosser und Autodidakt, später Physiker. Er erkannte den Zusammenhang zwischen der Stromstärke und der Spannung, den Widerstand, später ihm zu Ehren Ohmscher Widerstand genannt.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 B. Adler, Moderne Energiesysteme – ein Beitrag zur Energiewende, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60688-9

138

Ostwald Friedrich Wilhelm, 1853 – 1932, deutsch-baltischer Chemiker in Riga geboren, lehrte in Leipzig und gilt als Begründer der Physikalischen Chemie, erhielt 1909 Nobelpreis für Chemie zur Katalyseforschung. Planck Max Karl Ernst Ludwig, 1858 – 1947, deutscher Physiker, entdeckte das atomistische Wirkungsquantum, 1919 Nobelpreis für Physik, Begründer der Quantenphysik. Rathenau Walter, 1867 – 1922, promovierter Physiker, gründete im Jahre 1893 die Elektrochemischen Werke Berlin GmbH in Berlin und in Bitterfeld, nahm das erste nichtbetriebsgebundene Großkraftwerk in Zschornewitz im Dezember 1915 in Betrieb. Nach 1918 arbeitete Rathenau als Wiederaufbauminister der Weimarer Republik, später als Außenminister, schloss mit dem sowjetischen Außenminister G. Tschitscherin den Vertrag von Rapallo zur Normalisierung der beiderseitigen staatlichen Beziehungen zwischen der Weimarer Republik und der UdSSR ab. Rathenau wurde wegen seiner Politik der Aussöhnung mit den Nachbarstaaten Deutschlands 1922 ermordet. Sabatier Paul, 1865 – 1941, französischer Chemiker, erhielt für seine Arbeiten zur Hydrierung von CO2 zu CH4 im Jahre 1912 den Nobelpreis für Chemie. Seebeck, Thomas Johann, 1770 – 1831, deutscher Arzt und Physiker, Privatgelehrter in verschiedenen deutschen Universitätsstädten, u. a. in Bayreuth, entdeckte den thermoelektrischen Effekt. Schottky Walter Hans, 1996 – 1876, deutscher Physiker, Prof. f. Physik in Rostock, Forschungsleiter bei Siemens, forschte über Halbleiter. Siemens Ernst Werner, 1816 – 1982, Erfinder, Industrieller, entdeckte das dynamoelektrische Prinzip. Tropsch Hans, 1889 – 1935, deutscher Chemiker, entwickelte mit Fischer die Synthese zur Kohleverflüssigung (Fischer-Tropsch-Verfahren). Wien, Wilhelm, 1864 – 1928 deutscher Physiker, Nobelpreis für Physik 1911.

Firmenadressen Auf nachfolgende Firmen und deren Dienstleistungen und/oder Produkte wurde im Text Bezug genommen: Agora-Energiewende Smart Energy for Europe Platform (SEFEP) gGmbH AnnaLouisa-Karsch-Str. 2 in 10178 Berlin, [email protected] Alstom Transport GmbH Deutschland Linke-Hofmann-Busch-Str. 1 in 38 239 Salzgitter, Tel. 05341 9004721 CEEC Center for Energy and Environmental Chemistry Forschungsinstitut der Uni Jena, Philosophenweg 7a in 07743 Jena, Tel. 03641 448987 ETOGAS Firmenname aus den Worten Energie to Gas gebildet, Ethogas GmbH Industriestr. 6 in 70565 Stuttgart EWE Energieversorgung Weser-Ems, Versorgungsunternehmen im Bereich Strom, Erdgas, Informationstechnologien und Umwelt, Tirpitzstr. 39 in 26123 Oldenburg, Tel. 0441 8030

139

Ochsner Wärmepumpen GmbH Krakowitzerstr. 4 A-4300 Linz, Niederlassung Deutschland Kurfürstendamm 11, in 10719 Berlin, Tel. +49 69 2566 94-0 Powercell Deutschland GmbH Mainzer Landstr. 49 in 60 329 Frankfurt, Tel. 069 3085 5470 Robert Bosch GmbH in 70839 Gerling bei Stuttgart Rückert NatUrgas GmbH Marktplatz 17 in 91207 Lauf a. d. Pegnitz, E-Mail: [email protected] Schmuck GbR Biogasanlagen Laurentiusweg 15 in 96199 Zapfendorf, Tel. 09547/6316 Solar Wennel Theodor-Storm- Str.1 in 64 839 Münster, Tel. 06071 38141 Stornetic GmbH Stetternicher Staatsforst in 52428 Jülich, Tel. 02461 657 100 Sunfire GmbH Dresden Gasanstaltstr. 2, in 01237 Dresden, Tel. 0351/896797, E-mail: [email protected] Sustec AG Hofackerstr 12 in Muttenz Schweiz TenneT TSO Bernecker Str. 70 in 95 448 Bayreuth http://tennetso.de Thermodo GmbH Brunnenstr. 153 in 10115 Berlin, Tel. 09004200300, thermodo.de/service TÜV SÜD Industrie Servive GmbH Westendstr.199 in 80686 München, Tel. 089 5791 3313 VNG Gasspeicher GmbH 100 %-ige Tochter von VNG AG Leipzig Erdgasimporteur Braustr.7 in 04347 Leipzig, Tel. 0341 4430 50 Hertz Transmission GmbH Zentrales Umspannwerk in 06246 Bad Lauchstädt, Tel. 0345 613666

Index A Abkommen Kyoto-Protokoll 121 Montreal- 121 Pariser Klimaschutz- 121 Regelwerk von Kattowitz 122 Anode 35, 36, 38, 41, 73

B Bändermodell 21, 46 Biogasanlage 15, 17, 87 Biomasse 15, 87 Brennstoffzelle Hochtemperatur- 42, 43 reversible 42 Brückentechnologie 7, 34, 91, 114

Elektrolyseur 41, 42, 87, 88 Elektromobilität 36, 53 Energie -dichte 37, 39, 53, 62, 69, 113, 114, 124 -effizienz 58, 114, 125 -einsparung 103, 105, 112 -erntefaktor 28 fossile- 126 -kette 85, 114 -konvertierung 31, 32, 46 regenerative- 33, 62 -speicherung 11, 33, 66, 79 -transportsysteme 20, 25 -verbrauch 1, 61, 115, 116

F Fischer-Tropsch-Synthese 87, 89, 109 Frank-Caro-Verfahren 3, 126

C G

Chlor-Alkali-Elektrolyse 3, 43, 44, 84

D Diesel Bio- 104, 105 synthetischer- 109, 114 Dunkelstrom 33 -betrieb 3 -flaute 1, 11, 61

galvanische Kette 35, 39 Gaspipeline 25, 26, 84 Gleichstrom 24, 28, 54 Grundlast 7, 61, 127

H Harnstoffsynthese 91, 92 Heizleiter 42, 43, 135 Hybridfahrzeug 53, 56

E elektrische Leiter Halbleiter 23, 45, 46, 47, 49, 50, 112 Ionenleiter 23 Supraleiter 23

I Isolator 21, 23 Isoliermaterialien 112

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142

K Kathode 35, 36, 37, 38, 40, 41, 43 Klimagase 9, 29, 62, 97, 99, 121

S Sabatierkonvertierung 86 Speicher Batterie- 63, 72 chemische- 62 Druckluft- 62, 67 elektrische- 62 Erdgas- 76 Feststoff-Wasserstoff- 75, 79 Gaskavernen- 76, 77 Kugelpump- 64 Kurzzeit- 62 Langzeit- 62 Latentwärme- 69, 70, 71 Redox-Flow- 73, 74 thermische- 62 thermochemische- 62, 77, 78 Wärme- 18, 68, 69, 72

Wärme-Strom- 71 Warmwasser- 70 Wasserstoff- 76, 79 Synthesegas 88, 106, 108

W Wärme -leitwert 112 -menge 33, 57, 67, 127 -pumpe 57, 58, 110 sensible- 67 Wassergasgleichgewicht 83, 88, 108 Wasserstoff 83, 95 Wasserstoffextraktion 92 Wechselstrom 24, 25, 54, 57, 129 Wechselstromnetz 24 Windkraftanlage 11, 13, 14, 62, 87 Wirkungsgrad 8, 17, 33, 34, 37, 39, 41, 67, 80, 85, 87, 111, 114, 125, 134

Z Zertifikatehandel 100, 103

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