Erzeugung und Speicherung von Energie. Was kann die Chemie dazu beitragen?

Fr, 22.05.2015 - 08:30 — Niyazi Serdar Sariciftci

Mit dem Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energien steht das Problem von Speicherung und Transport dieser Energien im Vordergrund. Als Lösung bietet sich die Umwandlung von Wind- und vor allem von Solarenergie in chemische Energie – u.a. in Form synthetischer Brennstoffe – an. Vorbild hierfür ist im Prinzip die Photosynthese von Pflanzen. Der Physiker Sariciftci - weltweit anerkannter Pionier in diesem Gebiet- sieht darin erfolgversprechende Möglichkeiten für eine Revolution im Energiebereich..*

Im 21. Jahrhundert erleben wir eine Konvergenz mehrerer Krisen: es sind dies die Energiekrise, die Klimakrise der globalen Erwärmung, die demographische Krise der wachsenden Weltbevölkerung und die Wirtschaftskrise. Diese Krisen sind voneinander nicht unabhängig.

Jede dieser Krisen könnte korrigiert werden, wenn wir genug billige Energie zur Verfügung hätten.

Die globale Energieerzeugung liegt heute bei ca. 14-16 TeraWatt (TW) Seriöse Schätzungen gehen davon aus, dass der Bedarf weiter steigen wird, sich in den nächsten 20 Jahren praktisch verdoppeln, aber um mindestens 10 TW erhöhen wird.

Aktuell werden rund 86 % des Energiebedarfs aus fossilen Brennstoffen – dazu gehören Steinkohle, Braunkohle, Erdgas und Erdöl - generiert (Abbildung 1). Das führt zu zwei Hauptproblemen:

Das primäre Problem ist, dass diese fossilen Vorräte nicht ewig halten. In Zukunft wird durchwegs eine geringere Förderung des Erdöls im Vergleich zu heute erwartet – und dies bei einem steigenden Energiebedarf der Welt. Dazu kommt, dass nur wenige Länder und eine noch kleinere Anzahl an Firmen diese Form der globalen Energiewirtschaft kontrollieren. Energie aus den Erdölquellen zu zapfen wird also zunehmend schwieriger, teurer und kann schließlich den Zusammenbruch vieler realer Volkswirtschaften nach sich ziehen.

Das nicht minder gravierende zweite Problem besteht darin, dass fossile Brennstoffe bei Verbrennung CO₂ freisetzen. Dieses Gas hat nun bereits Konzentrationen von 400 ppm (400 g /1000 kg) erreicht - derartige Konzentrationen hat es in Millionen von Jahren nicht gegeben - Klimatologen warnen vor schwersten Katastrophen in den nächsten hundert Jahren.

Abbildung 1. Verbrauch unserer Ressourcen. Rechts: Weltweiter Energieverbrauch nach Energiearten im Jahr 2013 (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Fossile_Energie, basierend auf Statistical Review of World Energy 2014: http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/Energy-economics/statistical-review...)

Wodurch lassen sich fossile Brennstoffe ersetzen?

Derzeit stammen rund 14 % des globalen Energiebedarfs aus nicht-fossilen Quellen, im Wesentlichen aus Kernenergie, Wasserkraft, Geothermie, Windkraft und Sonnenergie. Die Frage ist: inwieweit wird es möglich sein den zukünftigen Energiebedarf aus diesen Quellen decken?

Nukleare Energie ist keine Alternative

Will man den steigenden Energiebedarf – mindestens 10 TW Leistung - mit nuklearer Energie decken, so bedeutet dies, dass wir 10.000 neue 1 GW Nuklearreaktoren - d.i. in der Größe von Fukushima - aufbauen müssten. Wenn wir morgen anfangen und bis zum Jahre 2030 jeden Tag eine neue Nuklearanlage aufbauen, wäre die Zeit trotzdem nicht genug, um eine solche Leistungskapazität zu erreichen. Selbst wenn man solche Kapazitäten aufstellen könnte, wäre die weltweite Verfügbarkeit des nuklearen Brennstoffes in wenigen Minuten aufgebraucht. Dieses einfache Rechenbeispiel zeigt unausweichlich, wie fatal die Argumentationsbasis einer Nuklearwirtschaft als Lösung des Energieproblems der Zukunft auf diesem Planeten ist. Nukleare Energie ist ein Luxus, den sich auch wohlhabende Staaten nur teilweise leisten können. Für die globale Zukunft der Menschheit bietet nukleare Energie keine Lösungskapazität.

Ausbaumöglichkeiten von Wasserkraft sind bereits limitiert,

denn Wasserkraft ist bereits heute weltweit sehr gut ausgebaut. Experten schätzen die zusätzliche Kapazität einer hydroelektrischen Energiewirtschaft auf bloß 1-2 TW.

Chancen für die Geothermie

Hier gibt es in der Tat noch größere ausbaubare Kapazitäten. Geothermie könnte an vielen Orten der Erde bis zu mehreren TW ausgebaut werden. Eine technologische Herausforderung tritt aber auf, welche die geologische Stabilität der Anlagen in verschiedenen Regionen betrifft. Ein großer Vorteil der Geothermie ist hingegen, dass sie delokalisiert eingesetzt werden kann. Die eigenen vier Wände kann man bereits heute mit autonomen Wärmepumpen weitgehend unabhängig heizen. Den dazu benötigten Strom kann man aus Solarenergie beziehen und somit die volle Autonomie erreichen.

Weiterer Ausbau von Windkraft

Windenergie wird bereits heute in großem Maßstab erzeugt und weiter ausgebaut. Eine noch höhere Kapazität wird in den Off-Shore Regionen weit draußen im Meer berechnet. Allerdings wirft die Windenergie wegen ihrer Instabilität viele Sorgen auf, zu ihrer Stabilisierung benötigt sie unbedingt eine große Speichermöglichkeit.

Biomasse

Ein Einsatz von Biomasse der ersten Generation, der Agrarbiomasse, zur Brennstoffherstellung, steht in direkter Konkurrenz zum Ernährungssektor. Es kann doch nicht sein, dass in dieser Welt viele verhungern müssten, damit wir hier in entwickelten Ländern autofahren können.

Biomasse der 2. Oder 3. Generation – mit Algen, photosynthetischen Bakterien – bietet dagegen interessante Ansätze. Trotzdem muss man beachten, dass die natürliche Photosynthese eher ineffizient ist (<1%) und die lebenden Organismen eher zur Fragilität neigen. Dies ist nicht die beste Voraussetzung für einen globalen Ansatz in Terawatt-Skala.

Sonnenenergie – das größte Potential

Die Kapazitäten der Sonnenenergie sind unvorstellbare 120.000 TW! Das heißt: die Einstrahlung in einer Stunde entspricht unserem aktuellen Jahresbedarf an Energie. Wenn wir also nur einen Bruchteil dieser Energie uns nutzbar machen könnten, wäre die Energiezukunft der Erde weitgehend gesichert. Dies klingt wie das Märchen von der schier unendlichen Energie, es könnte aber tatsächlich zur Realität werden. Die verschiedenen Technologien der Solarenergieerzeugung (Abbildung 2) möchte ich hier nicht gegeneinander ausspielen. Alle Wege führen nach Rom und alle Technologien werden für die „solare Revolution“ eifrig beworben. Welche Technologien sich am Ende des Tages als nützlich für diese Revolution erweisen, wird sich mit der Zeit zeigen. Abbildung 2. Die Entwicklung verschiedener Typen von Solarzellen – Silizium-, Organische-, Farbstoff-Solarzellen - führt zu immer höheren Wirkungsgraden (Bild: Wikipedia).

Eine logische Antwort auf die drohende Energiekrise wäre also ein Umstellen der Energieversorgung auf die Basis von Solarenergie und Windenergie, unterstützt durch Geothermie. Die Umwandlung dieser erneuerbaren Energien in Wärme, Elektrizität oder in chemische Energie spielt dabei eine wichtige Rolle.

Wie lassen sich erneuerbare Energien speichern?

Solarenergie und Windenergie unterliegen starken Schwankungen - die Sonne scheint, der Wind bläst, wann sie wollen und nicht, wenn wir dafür Bedarf haben. Diese Energie muss irgendwie gespeichert werden. Wird sie vor Ort verwendet, genügt ein einfacher Speicher. Bei Überland-Transporten geht das nicht. Wir müssen daher ein Medium erzeugen, dass speicherbar und transportabel ist. Flüssige Treibstoffe sind dafür gut geeignet. Ein Beispiel: Ein Liter Benzin enthält etwa 12 bis 15 Kilowattstunden Energie. Der modernste Tesla-Akku kann bei 100 Kilo Eigengewicht ungefähr 10-12 Kilowattstunden speichern. Wenn wir einen Energieüberschuss später und woanders nutzen wollen, benötigen wir entsprechende Möglichkeiten zur Speicherung und auch zum Transport über große Distanzen. Ganz so wie wir es für fossile Energien gewohnt sind: die Erdgasleitung, die in mein Haus führt, hat ihren Ursprung irgendwo in Sibirien – tausende Kilometer entfernt. Aus meiner Sicht ist somit klar, wo die Präferenzen liegen sollten.

Großtechnisch wird heute elektrische Energie derzeit mit Hilfe von Pumpspeicherkraftwerken gespeichert (wie bei uns im Kaprun). Diese nutzen einen Überschuss an elektrischer Energie, um Wasser in einen höher gelegenen Speicher hinaufzupumpen. Bei größerer Stromnachfrage wird das Wasser wieder bergab fließen gelassen und es erzeugt dabei mittels Turbinen und Generatoren elektrischen Strom. Nicht überall ist so ein Pumpspeicherkraftwerk aber möglich.

Deswegen propagieren wir eine neue, besonders wirksame Methode der Speicherung von erneuerbaren Energien: diese direkt in eine Form von chemischer Energie zu überführen. Also CO₂ und Wasser mit erneuerbaren Energien zu einem künstlichen Brennstoff umzuwandeln. Gleichzeitig lässt sich damit auch das Problem der zu hohen CO₂ Emissionen- wie sie vor allem bei Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen auftreten - in den Griff bekommen, das CO₂ wieder in einen Kreislauf zu schicken, der von der Sonne und vom Wind getrieben wird.

Umwandlung erneuerbarer Energie in chemische Energie – aus dem Problemstoff CO₂ wird neuer Brennstoff

Um CO₂ loszuwerden, gibt es zwar andere großtechnische Möglichkeiten, die CO₂ einfangen, abtrennen und in tiefe Sedimentschichten oder in die Tiefsee zu pumpen („carbon dioxide capture and storage“ (CCS) ). Dies sind aber teure und komplizierte Verfahren, die nicht ungefährlich sind.

Anstatt CO₂ in tiefen Gesteinsschichten zu lagern, kann überschüssige erneuerbare Energie jedoch dazu verwendet werden CO₂ zu recyceln („carbon dioxide capture and utilization“ (CCU) ). Nach dem Vorbild der Photosynthese in Pflanzen kann CO₂ aus der Luft entnommen und (mittels geeigneter Katalysatoren) zu organischen Verbindungen umgesetzt werden, die dann einerseits als Ausgangsstoffe für chemische Synthesen und andererseits als Brennstoffe dienen. Im letzteren Fall steht heute vor allem die Konvertierung zu Methan (CH₄) im Vordergrund. Der Vorteil von Methan, das ja Hauptbestandteil von Erdgas ist: die nötige Infrastruktur in Form des Erdgasnetzes mit enormen Speicherkapazitäten steht heute in Europa und in vielen entwickelten Ländern bereits zur Verfügung.

Basierend auf einem Forschungsprojekt zur Erzeugung von Treibstoffen durch erneuerbare Energie, das wir an unserem Linzer Institut für Organische Solarzellen (LIOS) gemeinsam mit Gregor Waldstein durchführten, ist 2007 die Spinoff-Firma Solar Fuel entstanden. Diese (nun in ETOGAS umbenannte) Firma ist jetzt in Stuttgart tätig. In Zusammenarbeit mit führenden deutschen Forschungsinstitutionen (dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg und dem Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik) wurde 2013 eine Anlage fertiggestellt, die mit mehreren Megawatt (MW) Anschlussleistung läuft.

Künstliches Erdgas kann also aus erneuerbaren Energien plus CO₂-Recycling bereits hergestellt werden (Abbildung 3): In dieser sogenannten „indirekten Reduktion“ wird Energie eingesetzt, um im ersten Schritt Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff (H₂)und Sauerstoff zu zerlegen und im zweiten Schritt CO₂ mit H₂ zu Methan zu konvertieren- das Methan kann dann in das Gasnetz eingespeichert werden. Industrie, Heizkraftwerke, Autos können das erneuerbare Gas nutzen, das CO₂-neutral ist. Der Autokonzern AUDI ist bereits Anwender dieser neuen Technologie.

Abbildung 3. Recycling von CO₂: Indirekte Reduktion von CO₂ mit durch Elektrolyse hergestelltem Wasserstoff. Eingespeist werden Wasser und ein CO₂/Luftgemisch. Erneuerbarer Strom wird zur Elektrolyse des Wassers, der Abtrennung von CO₂ aus der Luft, seiner darauffolgenden Desorption und der reduktiven Konvertierung zu Methan (CH₄) mit H₂ eingesetzt. Unten ist der Prototyp der nun bereits in Stuttgart laufenden Anlage schematisch dargestellt.

Neue Konzepte – direkte Reduktion von CO₂ zu Methan

In unserem Institut beschäftigen wir uns nun damit Sonnenstrahlen direkt, in einem sehr komplizierten Mechanismus, in chemische Energie in Form von beispielsweise Methan, Methanol oder Oktan umwandeln, ohne Zwischenprodukte. Für die direkte Reduktion des CO₂ zu Methanol werden 6, zu Methan 8 Elektronen benötigt. Wir verfolgen drei unterschiedliche Ansätze (Abbildung 4):

die elektrochemische Reduktion: die Elektronen stammen hier aus elektrischer Energie und Metallkomplexe (u.a. Rhenium-, Rhodium-, Rutheniumkomplexe) katalysieren die Reaktionen.
Biokatalyse: hier reduziert ein Set von stabilisierten hochspezifischen Enzymen (Dehydrogenasen) CO₂ schrittweise zu Formiat, Formaldehyd und Methanol. Elektrische Energie dient zum Recyceln des für die Reaktionen essentiellen Kofaktors (NADH).
Photokatalyse: Vorbild ist hier die natürliche Photosynthese, welche Sonnenlicht mittels des Photosensitizers Chlorophyll „einfängt“. Dadurch angeregt werden Elektronen generiert und genutzt, um in einer komplizierten Reaktionsfolge aus CO₂ und Wasser Glukose aufzubauen. Die künstliche Photosynthese zur direkten Reduktion von CO₂ verwendet Photosensitizer, die häufig organometallische Verbindungen sind und - über die Anregung durch Sonnenlicht hinaus – auch als Katalysatoren für die Reaktionsfolge fungieren.

Abbildung 4. Umwandlung der Sonnenenergie in chemische Energie durch direkte Reduktion von CO₂. In jedem dieser Ansätze entsteht Treibstoff, der CO₂-neutral ist.

Ausblick

Mit dem Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energien steht das Problem von Speicherung und Transport dieser Energien im Vordergrund. Als Lösung bietet sich die Umwandlung von Wind- und vor allem von Solarenergie in chemische Energie – u.a. in Form synthetischer Brennstoffe – an. Vorbild hierfür ist im Prinzip die Photosynthese von Pflanzen. Die Machbarkeit derartiger Konzepte ist gezeigt. Diese Strategien ermöglichen auch das Recycling von CO₂ - aus dem Problemstoff wird so ein wertvolles Ausgangsmaterial.

Es erscheint realistisch, dass diese erfolgversprechenden Möglichkeiten zu einer Revolution im Energiebereich führen werden: Länder werden nicht mehr auf Energieimporte angewiesen sein, billige Energie wird dezentralisiert und autonom erzeugt werden können. Systembedingte oder vorsätzliche Verknappung von Energie, wie das heute etwa bei Gas oder Erdöl der Fall ist, wird dann der Vergangenheit angehören. Die Sonne scheint schließlich für alle!

Weiterführende Links

N.S. Sariciftci (2014) Solarenergie: Eine Demokratisierung der Energieversorgung? Niyazi Serdar Sariciftci on Solar Energy Video 3:43 min.

Ein Tank voll Sonne . Video 2:423 min.

Niyazi Serdar Sariciftci on nanostructures for solar energy. Video 6:00 min Vortrag Sariciftci (Redtenbacher Symposium Steyr, 2013) Teil 1 – 3 Videos (a 15 min) Teil 1: Teil 2: Teil 3: Methan aus erneuerbaren Energien. Video 6:38 min. https://www.youtube.com/watch?v=mZbEV8cKdgc Das Zeitalter der Industrie –Energie. http://www.oekosystem-erde.de/html/energie.html