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Energie: Methanol statt Wasserstoff?

Copyright by Michael Bockhorst Dienstag, 13. April 2010

Wasserstoff war schon in den 1970ern der angekündigte Energieträger der Zukunft. Warum ist Wasserstoff in der Praxis heute nur heiße Luft? Was könnte die Rolle von Methanol als Energieträger sein?

Wasserstoff-Elektrolyse noch nicht "marktreif"!

Wasserstoff wird heutzutage zu 90-95 Prozent aus ... Erdgas hergestellt. Erdgasmolekülen, die aus je einem Kohlenstoff- und 4 Wasserstoffatomen bestehen, wird über die Dampfreformierung der Kohlenstoff "entrissen", übrig bleiben zwei Wasserstoff-Moleküle pro Erdgas-Molekül. Diese Form der Wasserstoffherstellung ist ganz offensichtlich kein Weg in eine voll-regenerative Wasserstoffwirtschaft.

Die Elektrolyse von Wasser ist der bessere Ansatz zur Wasserstoffherstellung. Dabei wird Wasser durch elektrischen Strom in seine Bestandteile, Wasserstoff und Sauerstoff, zerlegt. Der Strom kann aus allen Quellen kommen: Wind, Photovoltaik, solarthermischen Kraftwerken usw.

Problem: Die Elektrolyse kann zwar im Schulversuch sehr einfach mit ein paar einfachen Mitteln - einem Becher mit Wasser, einer Prise Salz, zwei Elektroden und einer Batterie demonstriert werden. Wenn es jedoch um die wirtschaftliche Elektrolyse von Wasser geht, wird es ungleich schwieriger. Kommerziell betriebene Elektrolysezellen müssen hocheffizient sein, aus verfügbaren Materialien mit verfügbaren Technologien hergestellt werden können und damit kosteneffizient werden. Davon sind wir jedoch noch weit entfernt. Die Wasserstoffherstellung per Elektrolyse dient daher bis heute vorwiegend der Herstellung von reinem Wasserstoff oder reinem Sauerstoff für technische und - im Falle des Sauerstoffs - medizinische Anwendungen.

Wasserstoff-Speicherung noch nicht wirtschaftlich!

Es ist ein schwieriges Unterfangen, Wasserstoff sicher und wirtschaftlich zu speichern:

  • Als Druckgas: Großes Volumen der Speicher bezogen auf die gespeicherte Energiemenge. Risiko des Berstens der Druckgastanks.
  • Als Flüssigwasserstoff: moderates Volumen der Speicher bezogen auf die Energiemenge. Wasserstoff wird permanent verdampft, um den verbleibenden Wasserstoff flüssig zu halten - dadurch treten bei langer Lagerung hohe Verluste auf, gerade bei kleinen Mengen z.B. in einem Fahrzeug.
  • Als angelagerter Wasserstoff: Wasserstoff kann an bestimmte Metalle unter bestimmten physikalischen Bedingungen gut angelagert werden, unter anderen Bedingungen wieder entnommen werden. Dieses Speicherverfahren funktioniert sehr sicher und in kompakten Speichern. Die verwendeten Metalle zur Wasserstoff-Speicherung sind jedoch nicht unbegrenzt verfügbar und haben eine sehr hohe Dichte. Dieser Speicher hat ein hohe Gewicht bezogen auf die Energiemenge.
Dies zeigt, warum Benzin und Diesel als Kraftstoffe so attraktiv sind: Ein einfacher Plastik- oder Metalltank für 50 oder 100 Euro ist ein perfekter Speicher: Geringes Volumen, geringes Gewicht, kein Berstrisiko, verfügbare Materialien!

Methanol: Ein möglicher Ausweg

Methanol hat zwei Eigenschaften, die es ähnlich attraktiv machen wie Benzin oder Diesel: Methanol hat eine relativ hohe Energiedichte, die wenigstens halb so hoch ist wie die der klassischen Kraftstoffe. Und Methanol lässt sich ebenfalls in einfachen Tanks speichern. Und obendrauf: Methanol kann in leicht modifizierten Verbrennungsmotoren problemlos verwendet werden!

Wenn man den Blick in die etwas fernere Zukunft - 10 oder 20 Jahre - richtet: Vielleicht sind die Direktmethanol-Brennstoffzellen dann reif für den Kfz-Einsatz. Diese Brennstoffzellen können Methanol direkt in elektrischen Strom umwandeln, mit einem Wirkungsgrad von 50-70 Prozent, also 2-3mal so effizient wie ein Verbrennungsmotor!

Methanol ist giftig - hier wird auch einige Arbeit zu investieren sein: Wie gefährlich ist der Umgang mit Methanol im Alltag? Was passiert, wenn Methanol in die Umgebung gelangt? Aber alle Energieträger bergen ihre Gefahren: Brände von Wasserstoff, auslaufender Dieselkraftstoff und explodierende Lithium-Ionen-Batterien.

Methanolwirtschaft: Konzept einer voll-regenerative Energieversorgung

Bisher bleibt die grundlegende Frage offen: Wo kommt das Methanol her? Chemisch ist das Methanol dem Erdgas (Hauptbestandteil Methan) sehr verwand, wie es der Name schon sagt: Das flüssige Methanol hat ein Sauerstoffatom mehr, als das Methangas. Methanol lässt sich sicher problemlos aus Erdgas herstellen. Aber dann besteht das gleiche Problem wie beid er Wasserstoffherstellung, deren Löwenanteil aus nicht-erneuerbaren Energien bestritten wird.

Hier fehlt - noch - eine Schlüsseltechnologie: Die direkte Umwandlung der Energie des Sonnenlichtes in die chemisch gebundene Energie des Methanols. Wie könnte ein solcher Prozess aussehen? Methanol besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Kohlendioxid und Wasser enthalten ebenfalls genau diese Elemente.

Gelänge es, ein Gerät zu bauen, welches Kohlendioxid aus der Luft mit Wasser zu Methanol und Sauerstoff unter Lichteinwirkung umwandelt ... Bingo. Damit wären die Energieprobleme gelöst! Ein solcher Prozess gehört zu der Gruppe der photokatalytischen Prozesse, also chemische Abläufe, die mit Licht und Katalysatoren gelingen.

Die Photosynthese ist das prominenteste Beispiel photokatalytischer Prozesse, die mit hoher Effizienz ablaufen und perfekt auf die Pflanzen abgestimmt sind. Allerdings werden in Pflanzen komplexe chemische Verbindungen hergestellt, die sowohl die Energieversorgung bereitstellen, als auch für den Aufbau von Strukturen dienen.

Photokatalyse von Methanol - die technische Form der Photosynthese

Für eine Methanolwirtschaft dürfte ein wesentlich einfacherer Prozess ausreichen. Hier könnten Nano- und Biotechnologie zusammenkommen und wahre Wunder verrichten: Nanostrukturierte Untergründe, auf denen Enzyme als Katalysatoren Methanol produzieren! Noch sind solche Systeme als Rückgrat einer Energieversorgung Zukunftsmusik. Es gibt einige Probleme, die zu bewältigen sind:

  • Wie kommt man an genügend Kohlendioxid, trotz der geringen Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre?
  • Welche Nano-Substrate und welche Biokatalysatoren sind geeignet?
  • Wie hoch ist der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenenergie in Methanol-"Energie"? - 5 Prozent würden schon ausreichen!
  • Wie umweltverträglich und ökonomisch sind die verwendeten Stoffe und Verfahren?

Auch bei Methanol ist die Zukunft (noch) nicht geklärt. Aber das Problem der Speicherung fällt - im Vergleich zum Wasserstoff -weg. Und das verringert - mindestens zur Hälfte - die Arbeit, die noch in eine Methanolwirtschaft gesteckt werden müsste.

Und an alle diejenigen, die dem Wasserstoff nachtrauern werden: Methanol enthält gebundenen Wasserstoff - das Kohlenstoff- und Sauerstoffatom modifizieren den Wasserstoff so, dass er bei normalen Umgebungsbedingungen flüssig ist. Was ungemein hilft!

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