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Durch den Teilchenbeschleuniger zur nachhaltigen Brennstoffzelle
Kaum erforscht: Damit die Brennstoffzelle nachhaltig betrieben werden kann, muss die Wasserstoffherstellung erheblich verbessert werden | Flüssiger Kraftstoff aus Sonnenlicht und CO2

RobGal

Das Brennstoffzellenauto könnte die Lösung für die Probleme des batterieelektrischen Antriebs sein: Es ist – bis auf harmlosen Wasserdampf – genauso emissionsfrei, verfügt über eine deutlich bessere Reichweite und lässt sich genauso schnell auftanken wie ein Verbrennerauto. Tatsächlich befinden sich aber unter den 65 Millionen in der Bundesrepublik zugelassenen Fahrzeugen nicht einmal 400 Brennstoffzellenautos. Nur drei Autohersteller bieten ein Wasserstoffmodell in Deutschland an. Außerdem gibt es praktisch keine Ladeinfrastruktur für den benötigten Wasserstoff (H2), und die Sicherheit bei der Lagerung des leicht entzündlichen Wasserstoffgases ist offenbar auch noch nicht vollständig gewährleistet, wie sich eben erst in Norwegen zeigte, wo eine H2-Tankstelle aus bislang ungeklärter Ursache Feuer fing.
Auch die Energieeffizienz und die CO2-Bilanz stellen noch ungelöste Probleme dar. Denn bei der H2-Herstellung aus Wasser, seiner Lagerung in Gastanks und der Gewinnung von Strom in der Brennstoffzelle muss Energie aufgewandt werden, der für den Antrieb des Autos nicht mehr zur Verfügung steht. Unterm Strich bleiben nur 25 Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie übrig. Zum Vergleich: Der batterieelektrische Antrieb hat einen Wirkungsrad von 70 Prozent. Zu alldem kommt prinzipiell noch hinzu, dass die derzeitige CO2-Bilanz bei der Stromherstellung wegen der Kohlekraftwerke miserabel ist.

Hier setzt ein vom Bund gefördertes Forschungsprojekt der Universität Paderborn an: „Die für eine klimafreundliche Gewinnung von Wasserstoff notwendigen Prozesse sind bisher kaum erforscht worden, und mögliche Technologien sind weitestgehend unausgereift“, stellt Chemieprofessor Matthias Bauer für Laien überraschend fest. Er und sein Team forschen daher an der nachhaltigeren Gewinnung von Wasserstoff, um fossile Kraftstoffe schneller zu ersetzen. H2 an sich sei nämlich ein hocheffizienter Energieträger und Sonnenlicht unbegrenzt verfügbar, so Bauer.

Um den Prozess in der Brennstoffzelle zu verbessern, müssen laut Bauer „hochkomplexe Techniken“ angewandt werden, denn die Reaktionen laufen im Bereich einer milliardstel Sekunde „und zum Teil noch schneller“ ab. Daher braucht man Teilchenbeschleuniger. Mit ihnen ließen sich „molekulare Filme von der Bildung des Wasserstoffs drehen“, mit deren Hilfe die Prozesse verbessert werden könnten, so Bauer weiter. Zudem haben sich die Paderborner Wissenschaftler vorgenommen, auf das bislang für solche Reaktionen notwendige Platin zu verzichten, denn die weltweiten Vorräte sind begrenzt und die Gewinnung des Edelmetalls belastet die Umwelt. Als Ersatz könnte man zwar auf unedle Metalle wie Eisen zurückzugreifen, dafür ist jedoch noch einige Forschung erforderlich.

Das Paderborner Forschungsprojekt zur nachhaltigen Brennstoffzelle läuft bis 2022, erste Ergebnisse sollen bereits im nächsten Jahr vorgestellt werden.

Flüssiger Kraftstoff aus Sonnenenergie

Auch Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) experimentieren mit Sonnenlicht, um den Verkehr klimafreundlicher zu gestalten. Sie haben eine solare Anlage entwickelt, die aus Sonnenenergie CO2-neutralen Kraftstoff herstellt. Dabei werden Wasser und Kohlendioxid aus der Umgebungsluft abgeschieden und aufgespalten. Ein Parabolspiegel kommt zum Einsatz, der die benötigte „grüne“ Energie aus dem Sonnenlicht zur Verfügung stellt und sie 3.000fach konzentriert. Dabei entstehen Temperaturen von bis zu 1.500 Grad Celsius.

Das Produkt ist ein Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das zu flüssigem Kerosin, Methanol oder anderen Energieträgern verarbeitet wird, erläutern die Züricher Wissenschaftler. Dieser Treibstoff könne direkt verwendet werden.

Mit ihrer solaren Mini-Raffinerie wollen Aldo Steinfeld, ETH-Professor für Erneuerbare Energieträger, und sein Team beweisen, dass die Herstellung von nachhaltigem Treibstoff aus Sonnenlicht und Luft auch unter realen Bedingungen und selbst bei den klimatischen Bedingungen von Zürich funktioniert. Die Kapazität reicht derzeit jedoch nur für einen Deziliter Kraftstoff pro Tag.

Daher haben sich die Wissenschaftler als nächstes vorgenommen, eine Anlage im industriellen Maßstab zu bauen und wettbewerbsfähig zu betreiben. Nach ihren Berechnungen reichte eine Solaranlage von einem Quadratkilometer Fläche für täglich 20.000 Liter Kerosin. „Theoretisch kann man mit einer Anlage auf der Fläche der Schweiz oder eines Drittels der Mojave-Wüste in Kalifornien den Kerosinbedarf der gesamten Luftfahrt decken“, so die ETH-Wissenschaftler.
Quellen
    • Foto: © Visual Concepts - Fotolia.com | Text: Kristian Glaser (kb)