Angelika Heinzel und Hermann Pütter

Die Versorgung der Menschheit mit Energie zum Heizen, Kochen, Kühlen, für Kommunikation, für Transport, für die Herstellung landwirtschaftlicher, handwerklicher und industrieller Güter ist die komplexeste Aufgabe, der sich unsere Gesellschaften weltweit heute stellen müssen.

Mit dieser Ausgabe der Aktuellen Wochenschau der GDCh können wir keinen Überblick darüber geben. Wir beschränken uns auf Beiträge, die die Elektrochemie hier leisten wird. Wir haben die Literatur so ausgewählt, dass sie aktuelle Aspekte möglichst exemplarisch aufgreift. Die beste Informationsquelle ist hier jedoch das Internet, eine Fülle ständig aktualisierter Daten und Prognosen über Menge und Struktur des weltweiten Energieverbrauchs finden sich hier [1] . Der Beitrag der Elektrochemie konzentriert sich auf den schonenden Umgang mit dem wertvollen Gut der elektrischen Energie.

Was eine elektrochemische Zelle ist und wie sie funktioniert, ist in Woche 2 (Grundbegriffe der Elektrochemie) erklärt. Für dieses Kapitel sind drei Typen von Zellen von Bedeutung: Die Wasserelektrolyse, die Brennstoffzelle und die Batterie. Wir können uns hier auf ein einfaches Schema beschränken (Abb.1). Wasserelektrolyse, Batterien und Brennstoffzellen sind drei der spannendsten Kapitel der Elektrochemie; jedem Thema wird ein eigener Beitrag in der aktuellen Wochenschau gewidmet sein.

Abbildung 1: Zum Schema siehe auch „Grundbegriffe der Elektro-chemie“ (Woche 2)

Batterien sind heutzutage allgegenwärtig, vom Kinderspielzeug bis zum Handy, von der singenden Grußkarte bis zum iPod - wie viele Batterien haben Sie dieses Jahr zu Weihnachten verschenkt? Wir alle kennen die schönen Weihnachtspyramiden aus dem Erzgebirge. Von vier oder sechs wohlduftenden Wachskerzen angetrieben, dreht sich ein kleines holzgeschnitztes Wunderwerk langsam im Kreise. Es wäre ein Sakrileg, ein solches Traditionsgebilde mit Batterien anzutreiben. Aber eine Batterie und ein winziger Elektromotor mit dem Bruchteil des Gewichtes der Kerzen könnten die gleiche Funktion ausüben. Die Effizienz der Energieumwandlung von einer Energieform (chemischer Energie) in eine andere (z.B. Rotationsenergie) ist der Schlüssel zum Erfolg der Batterien [2]. Gleichzeitig ist der Strom aus Batterien der teuerste Strom den wir nutzen. Der Ersatz von Primärbatterien durch wieder aufladbare Akkumulatoren ist ein erster wichtiger Schritt zum nachhaltigen Umgang mit Ressourcen.

Ist die Batterie also wirklich so effizient, wie das Beispiel suggeriert? Wie viel Energie benötigen wir zu Ihrer Herstellung? Wie viel Strom brauchen wir für ihre Wiederaufladung? Und wie wäre diese Energie zu bewerten im Vergleich zum Aufwand, den ein Bienenvolk hat, um das Wachs für die Kerzen bereitzustellen? Effizienzbetrachtungen setzen die Summe aller Aufwendungen für eine Technologie ins Verhältnis zu ihrem Ertrag.

Der Wirkungsgrad einer Technologie ist das Verhältnis Energieaufwand zum energetischen Nutzen. Zunächst einmal ist festzuhalten, dass die elektrochemische Energieumwandlung in vielen Fällen deutlich effektiver erfolgen kann als eine thermische Energieumwandlung. Letztere ist immer den Einschränkungen des Carnot-Prozesses unterworfen. Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad W hängt vom Verhältnis des erreichbaren Temperaturdifferenz DT zur Umgebungstemperatur T und der Umgebungstemperatur selbst ab:

W= DT/T

Der Kerzenantrieb der Weihnachtspyramide arbeitet weit unterhalb dieses theoretisch denkbaren Wirkungsgrades. Batterien oder Brennstoffzellen können Wirkungsgrade von über 80% erreichen. Verbrennungsmotoren in Autos oder unser Kraftwerkspark [3] erreichen nicht einmal die Hälfte. Man muss bei solchen Aussagen jedoch vorsichtig sein. Der Stand der Technik und das zukünftige Entwicklungspotential müssen berücksichtigt werden. So gibt es in Deutschland moderne GuD-Kraftwerke mit elektrischen Wirkungsgraden von fast 60%. Auch bei Batterien und Brennstoffzellen ist das Wirkungsgradspektrum breit (Abb. 2). Aber es bleibt festzuhalten, dass eine moderne Natrium-Schwefel-Batterie der japanischen Firma NGK mit über 80% Wirkungsgrad genauso effizient ist wie ein Pumpspeicherkraftwerk.

Abbildung 2: Wirkungsgrade verschiedener Stromerzeuger

Nur sind die Kosten pro gespeicherter kWh um Größenordungen verschieden. Ein weiterer Grund für Vorsicht bei Potenzialbetrachtungen ist mit dem Verweis auf die Bienen angedeutet. Nicht immer ist ein niedriger Wirkungsgrad ökologisch bedenklich. Hier werden zwei völlig unterschiedliche Welten verglichen. Man unterscheidet klugerweise zwischen dem theoretisch möglichen Potenzial, dem technisch und wirtschaftlich sinnvollem Potenzial und dem ökologisch verantwortbaren Potenzial [4] einer Rohstoffquelle oder einer Technologie.

Nach den Prognosen aller Energieexperten wird der Energiebedarf weltweit dramatisch steigen. (Abb. 3). Gleichzeitig mehren sich die Anzeichen von der Begrenztheit unserer Energieoptionen. Man mag sich streiten, wann Öl und Gas genau ihren Zenit erreicht haben und in welchem Umfang der steigende CO₂-Gehalt der Atmosphäre schädliche Klimaeffekte herbeiführt. Dass wir allen Grund haben, mit unseren Ressourcen deutlich schonender als bisher umzugehen, ist aber unbestritten. Die Effizienz der weltweiten Energiewirtschaft wird eines der wichtigen Zukunftsthemen sein. Und der Elektrochemie wird eine zentrale Rolle zukommen.

Abbildung 3: DOE Energieprognose 2001-20254

Mit ihren großen Verfahren der Chloralkalielektrolyse und der Herstellung so wichtiger Metalle wie Aluminium und Kupfer (siehe Beitrag Woche 6) ist sie selbst ein großer Energieverbraucher. Mit ihren vielfältigen Methoden zum Schutz vor Korrosion und der Wiedergewinnung von Metallen senkt sie unnötige Stoff- und damit Energieverluste. Die Optimierung der Elektrolyseverfahren selbst bedeutet Optimierung des Elektrodenmaterials und des Designs der elektrochemischen Zelle. Gute elektrokatalytisch aktive Elektroden minimieren die Überspannungen, ein kompaktes Zelldesign die Ohmschen Verluste bei den hohen technischen Stromdichten. Bei dem hohen Stromverbrauch für die Aluminiumherstellung ist das wichtig, Elektrolyseanlagen werden heute bevorzugt dort betrieben, wo preiswerter Strom, z.B. aus Wasserkraft zur Verfügung steht[5].

Mit einer Fülle von Konzepten trägt die Elektrochemie zudem dazu bei, die Schlagkraft von Nachbardisziplinen zu erhöhen oder neuen Disziplinen aus den Kinderschuhen zu helfen. Als Beispiele seien hier die Katalyse [6] und die Mikro- bzw. Nanotechnologie [7] genannt, die beide in der Energiewirtschaft vielfältig zu Effizienzsteigerungen führen werden.

Elektrochemische Prinzipien spielen auch in der Technologie der Leuchtdioden eine zentrale Rolle. LEDs und - bald auch - OLEDs [8] ((Organic) Light Emitting Diodes) werden wegen ihres geringen Strombedarfs bald das Ende der klassischen Glühbirne bedeuten. In einer aktuellen Umfrage des VDI werden diese Leuchtdioden als Top-Thema unter den neuen Technologien genannt[9].

Noch wesentlich durchgreifender wird die Elektrochemie die Bereitstellung und Speicherung von Nutzenergie, der Energie für den Endverbraucher, beeinflussen. Auf diesen Bereich wollen wir uns nun konzentrieren.

Die beiden wichtigsten Triebkräfte für die weltweite Energieentwicklung werden im schnell anwachsenden Bedarf an trom und Mobilität gesehen. Die Bereitstellung von Elektrizität und Kraftstoffen ist jedoch nicht nur technologisch sondern auch politisch besonders anspruchsvoll. Auch wenn dies oft bestritten oder übersehen wird, kann man das Effizienzthema deshalb nicht auf technologische Fragen allein begrenzen.

Ein Beispiel, bei dem die Elektrochemie eine zentrale Rolle spielt, mögen dies verdeutlichen: Wenige Prozente der Saharafläche würden ausreichen, um Europa vollständig mit Strom und Kraftstoff zu versorgen [10]. Hierzu wäre eine Kombination aus Photovoltaik und Wasserelektrolyse die Voraussetzung. In der Wasserelektrolyse wird Wasser an den Elektroden in seine Elemente gespalten. An der Kathode entsteht der Kraftstoff Wasserstoff, an der Anode entsteht Sauerstoff. Wenn solcher Solarwasserstoff nun zum wesentlichen Energiepuffer und Energieträger würde, ergäbe dies folgende Energieeffizienz. Zukünftige Solarzellen könnten auch unter den schwierigen Bedingungen in der Wüste im Mittel 15% Wirkungsgrad erreichen. Modernen Wasserelektrolyseuren traut man Wirkungsgrade von 75 % zu. Der Wirkungsgrad der nötigen Peripherie könnte ebenfalls bei 75% liegen. Dies ergäbe einen Gesamtwirkungsgrad für die Herstellung von Solarwasserstoff von 8,4%. Abb. 4 ist eine vereinfachte Übersicht über das System. Detailliertere Studien an ähnlichen Beispielen kommen zu vergleichbaren Ergebnissen [11]. Die Effizienz des Systems beinhaltet auch alle Infrastrukturmaßnahmen und ihre ökologischen und sozialen Auswirkungen, es bleibt allerdings noch der Transport des Wasserstoffs zum Verbraucher. Wir beschränken uns hier auf den Wirkungsgrad der Herstellung. Acht Prozent erscheinen gering. Sie übertreffen jedoch die Photosynthese der Natur (ca. 1% Wirkungsgrad).

Abbildung 4: Solarwasserstoff aus der Wüste?

Im Automobilbereich untersuchen zahllose Studien die Energiekette von der Quelle bis zum Rad, sogenannte well-to-wheel Analysen verschiedener Antriebskonzepte unter normierten Randbedingungen, z.B. normierte Fahrzyklen eines Durchschnittseuropäers.

Von höchster Wichtigkeit für die Bewertung aller Konzepte ist die Frage, wie der Übergang von den fossilen Treibstoffen zu den regenerativen Treibstoffen gestaltet werden wird. Auf diesem Feld wird besonders deutlich, wie eng technologische und politische Konzepte mit dem Verhalten der Bürger verwoben sind. Ein eigener Wochenbeitrag in dieser Serie wird dies am Beispiel der Wasserstoffwirtschaft näher beleuchten.

Noch wissen wir nicht, welchen Beitrag Synfuels, Sunfuels, Biodiesel, Bioethanol, Methanol, Wasserstoff oder Strom leisten werden. Klugerweise befasst sich die Automobilindustrie aber schon heute mit den denkbaren Fahrzeugalternativen. Brennstoffzellenfahrzeuge stehen hier in Konkurrenz zu Hybridfahrzeugen (Kraftstoff meist Benzin) und modernen Dieselfahrzeugen. Als Daumengröße kann man festhalten, dass in Zukunft mehr als ein Drittel des Energieinhaltes des Kraftstoffs nutzbar wäre - im Vergleich zu einem knappen Fünftel heutiger Fahrzeuge [12].

Als wichtige Hilfsaggregate werden sog. Supercaps [13] betrachtet. Supercaps sind neuartige elektrochemische Energiespeicher, die in der Lage sind, Lastspitzen (Beschleunigung des Fahrzeugs) zu bedienen. Zusammen mit den Batterien speichern sie auch die beim Bremsen zurückgewinnbare kinetische Energie des Fahrzeugs.

Reine Batteriefahrzeuge haben heute aus Gründen des geringen Radius und der recht langen Zeiten zum Laden ("Tanken") kaum Verbraucherakzeptanz, obwohl sie für 90% aller Personenfahrten das Potenzial zum höchsten Komfort bei gleichzeitig höchster Effizienz hätten. Batteriefahrzeuge können Wirkungsgrade von 75% erreichen [11]. Trotzdem stagniert ihre Entwicklung genauso wie die des 3-Liter-Autos. Dies ist ein Beispiel für den starken gesellschaftlichen Einfluss auf Technologieoptionen.

Dass Mobilität und Strombedarf zunehmend Hand in Hand gehen, lässt sich an Bahnhöfen und Flughäfen, im Flug- und Bahnverkehr an der Zahl der mitgeführten Handys und Laptops ablesen. Obwohl der Gesamtenergieverbrauch dieses Sektors noch unbedeutend ist, treibt er die Optimierung einer wichtigen Größe voran: der Energiedichte (Abb.5). Obwohl Batterien einen um Zehnerpotenzen geringeren Energieinhalt haben als Benzin, sind sie als Stromquellen im Kleinmaßstab unverzichtbar. Der Grund: Bisher gibt es keine Aggregate im Wattmaßstab, die Kohlenwasserstoffe "verstromen" könnten. Die (nahezu) einzige organische Verbindung, die heute schon direkt zu Strom "verbrannt" werden kann, ist Methanol. Hierzu dient die Direktmethanolbrennstoffzelle DMFC. Es bestehen gute Aussichten, dass DMFCs in Kombination mit kleinen Methanolpatronen schon bald beginnen werden, Batterien zu substituieren.

Abbildung 5: Energiedichten im Vergleich

Derzeit haben Windkraft und Photovoltaik enorme Steigerungsraten weltweit. In Deutschland hat im Jahre 2004 die Windkraft mit 25 TWh die Wasserkraft (21 TWh) als regenerative Stromerzeugung bereits überholt [14]. Deutschland, Japan, Kalifornien aber auch China und andere forcieren energisch den Ausbau der Photovoltaik. Beide Technologien liefern jedoch Strom nur mit großen tageszeitlichen und saisonalen Schwankungen. Heute stehen Spitzenlastkraftwerke im Netzverbund zur Vergleichmäßigung der Stromversorgung - zur Bereitstellung von Regelenergie - zur Verfügung. Der Neubau solcher Kraftwerke jedoch ist teuer. Wenn der Anteil von Energie aus Wind und Sonne weiter steigt, wird es unumgänglich, in neue Stromspeicher zu investieren. Da aufgrund geologischer Bedingungen, der Bau von Pumpspeicherkraftwerken (Abb.6 zeigt das größte deutsche Pumpspeicherkraftwerk in Goldisthal) an Grenzen stößt, werden stationäre Batterien eine Option sein. Derzeit startet die Natrium-Schwefel-Batterie auf diesem Gebiet ihren Siegeszug. Hier ist der Wirkungsgrad und nicht die Energiedichte die Leitgröße. Sowohl Pumpspeicherkraftwerke als auch NAS-Batterien kommen auf 80% und mehr in typischen Zyklen von Laden und Entladen.

Abbildung 6: Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal in Thüringen

Erneuerbare Energien sind teuer. Eine Umrüstung unserer Energiewirtschaft wird nicht zum Nulltarif kommen. Schon die Aufwendungen für Forschungs- und Pilotprojekte in der EU, in den USA, in Kanada, Japan, China und anderen zusammen gehen in den 100-Milliarden-Bereich. Deshalb werden neben die Bemühungen um technologische Effizienz auch die Anstrengungen um wirtschaftliche und politische Effizienz treten.