Archiv der Kategorie: Technik

Technik – Fluch und Segen zugleich. Setzen wir sie zum Wohlergehen der Menschen ein!

Bernd Sternal

Mit biologischen Abfällen zum Hochleistungs-Akkumulator

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Akkumulatoren werden wohl nie die primäre Lösung zur Speicherung von Energie liefern können, so die bisherige Auffassung. Ihnen wird sicherlich, zumindest in absehbarer Zukunft, eine entscheidende Rolle bei Fahrzeugen sowie bei mobilen elektrischen und elektronischen Geräten zukommen. Vielmehr aber wohl nicht – zu groß ist der Rohstoffeinsatz und zu gering sind Speichervolumen und die Lebensdauer.

Unter dem technischen Begriff eines Akkumulators versteht man, wie bei der klassischen Batterie, galvanische Elemente, die beim Aufladen elektrische Energie in chemische umwandeln und beim Entladen die chemische Energie wieder in elektrische. Wesentlicher Unterschied: Das Sekundärelement des Akkus ist wieder aufladbar, das Primärelement der Batterie nicht.
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Die erste Vorform eines Akkumulators, der – im Gegensatz zu den Zellen von Alessandro Volta – nach der Entladung wieder aufladbar war, wurde schon im Jahr 1803 von dem Niederschlesischen Physiker Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) erfunden und gebaut. Der wohl bekannteste Akku-Typ dagegen, der Bleiakkumulator, wurde erst in den Jahren 1850 bis 1886 entwickelt. Seit dieser Zeit wird kontinuierlich an der Weiterentwicklung dieses Elektroenergiespeichers gearbeitet und geforscht. Eigentlich ist die Funktionsweise eines Akkus recht einfach, so sieht es wenigstens auf den ersten Blick aus. Beim Aufladen wird elektrische Energie in chemische umgewandelt. Wird ein elektrischer Verbraucher an den Akku angeschlossen, so wird die chemische in elektrische Energie zurückgewandelt. Klingt doch einfach und unkompliziert, oder? Die für eine elektrochemische Zelle typische elektrische Nennspannung, der Wirkungsgrad und die Energiedichte hängen jedoch wesentlich von den verwendeten Materialien ab. Und diesbezüglich ist den Forschern und Entwicklern bisher noch nicht der ganz große Wurf gelungen.

Heute haben wir, besonders im Bereich der Elektronik, hochentwickelte Akkus mit kleinen Abmessungen, hohem Wirkungsgrad und großer Energiedichte. Die gängigen Lithium-Ionen-Akkus sind auch schon sehr schnellladefähig und von langer Lebensdauer. Das verwendete chemische Element Lithium – ein Alkalimetall – ist jedoch chemisch wenig stabil. Lithium hat an der Erdkruste einen Anteil von etwa 0,006 %. Es kommt damit etwas seltener als Zink, Kupfer und Wolfram sowie etwas häufiger als Kobalt, Zinn und Blei in der Erdkruste vor. Lithium steht somit nicht unbegrenzt zur Verfügung und es ist auch nicht ganz einfach zu gewinnen.

Bei Akkumulatoren für die Elektrotechnik bzw. für größere Verbraucher sind hingegen bisher keine entscheidenden Fortschritte gemacht worden. Das trifft insbesondere auf Akkumulatoren für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sowie zur Zwischenspeicherung für regenerative Energie – Wind- und Solarenergie – zu. Die Akkumulatoren der Zukunft werfen bisher nur einen schwachen Schein am Horizont, so benötigen wohl noch eine lange Zeit der Entwicklung bis sie praxistauglich sind.

Lithium-Schwefel-Akkus sind in der Entwicklung. Erneut findet das nur begrenzt verfügbare Element Lithium Anwendung. Bei diesem Akku wurden noch nicht die vorhergesagten Ergebnisse erzielt. Die theoretische Energiedichte ist zwar die höchste aller Akkumulatoren, die Praxis konnte diese Werte bisher jedoch nicht bestätigen. Zudem sind sie recht empfindlich gegen Temperaturschwankungen und auch ihre Lebensdauer ist unzureichend.

Auch an Lithium-Polymer-Akkus wird geforscht. Erneut wird hier Lithium benötigt! Diesem Akku-Typ wir viel Potential zugeschrieben, denn er ist in seiner Formgestaltung sehr variabel, da er keine Flüssigkeiten enthält und auch seine Lebensdauer gibt Anlass zu Optimismus. Jedoch ist dieser Akku sehr kälteempfindlich.

Auch ein Lithium-Luft-Akku ist Forschungsgegenstand. In der Theorie soll er eine 10 – 20 Mal höhere spezifische Energie aufweisen als herkömmliche Lithium-Akkus, jedoch ist er über die Forschung kaum hinausgekommen und zudem wird auch hier erneut Lithium benötigt.

Natürlich gibt es auch noch Akkumulatoren die nicht mit Lithium arbeiten. Bei den modernen Akku-Typen sind das insbesondere solche, deren Elektroden aus Nickelverbindungen bestehen. Da Nickel jedoch noch seltener vorkommt als Lithium und zudem auch wesentlich umwelt- und gesundheitsschädigender ist kann diesem Typ wohl keine Zukunft gegeben werden. Besonders die in der Vergangenheit üblichen Nickel-Cadmium-Akkus sind inzwischen durch EU, sowie nationale Verbote, weitgehend aus dem Verkehr genommen worden.

Die wohl größten Hoffnungen setzten Forschung, Wissenschaft und Entwicklung derzeit auf Natrium-Ionen-Akkumulatoren. Sie sind deutlich leistungsstärker als Systeme mit Nickel-, oder Bleielektroden und repräsentieren eine echte Alternative zu den Lithium-Ionen-Akkus. Ihre Ausgangsstoffe sind weit verbreitet, einfach zugänglich und somit kostengünstig; zudem sind sie wenig umweltbelastend. Daher sind Natrium-Ionen-Systeme insbesondere eine äußerst vielversprechende Technologie für stationäre Energiespeicher, welche eine zentrale Rolle in der proklamierten Energiewende einnehmen müssen.

Bei der Entwicklung von Aktivmaterialien für Natrium-basierte Energiespeichersysteme ist dem Team um Professor Stefano Passerini und Dr. Daniel Buchholz am Helmholtz-Institut Ulm, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), nun ein bedeutender Schritt gelungen. Für die negative Elektrode wurde ein kohlenstoffbasiertes Material entwickelt, welches aus Apfelabfällen gewonnen wurde und exzellente elektrochemische Eigenschaften besitzt. Über 1000 Lade- und Entladezyklen mit hoher Systemstabilität und hoher Kapazität konnten bisher demonstriert werden. Diese Entwicklung stellt einen wichtigen Schritt zur nachhaltigen Nutzung und Verwertung von nachwachsenden Rohstoffen sowie biologischen Abfällen dar.

Für die positive Elektrode wurde ein Material entwickelt, dass aus verschiedenen Schichten von Natriumoxiden besteht. Auf der Erde ist Natrium mit einem Anteil an der Erdkruste von 2,36 % das sechsthäufigste Element. Es kommt aufgrund seiner Reaktivität nicht elementar, sondern stets in Verbindungen, den Natrium-Salzen, vor. Ein großer Speicher von Natrium ist das Meerwasser. Ein Liter Meerwasser enthält durchschnittlich 11 Gramm Natriumionen.  Zudem kommt Natrium auch im gesamten Universum sehr häufig vor.

Das neue Natrium-Aktivmaterial kommt zudem völlig ohne das teure und umweltschädigende Element Kobalt aus, welches noch immer häufig ein Bestandteil in Aktivmaterialien von Lithium-Ionen-Akkus ist. Das neue Aktivmaterial, in dem die eigentliche Speicherung von Energie stattfindet, hat bei gleichen Leistungsdaten im Labor hunderte von Zyklen ohne Kobalt absolviert.

Mit den diesen neuen Materialien konnte ein bedeutender Schritt, hin zur Entwicklung kostengünstiger und umweltfreundlicher Natrium-Ionen-Akkumulatoren gemacht werden.




Millionenschatz in Goslarer Teichen

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Der Harz war im Mittelalter und auch noch in der älteren Neuzeit die bedeutendste Bergbauregion Europas. Besonders die Erze von Silber, Kupfer und Zinn und Blei wurden gefördert und weiterverarbeitet.

Dieser intensive Harzer Bergbau und die zugehörige Verhüttung brachten zahlreiche bedeutende Erfindungen hervor, die in aller Welt Anwendung fanden: die Schienen-Hunte (Loren), Dynamit, das Drahtseil, die Fahrkunst und vieles mehr. Jedoch war die Erzaufbereitung des sogenannten „Alten Mannes“ (abgebaute, verlassene und aufgefüllte alte Bergwerke), wie auch die Weiterverarbeitung in den Hütten bis weit ins Industriezeitalter hinein wenig effizient.

Im Folgenden werde ich mich nun der Erzaufbereitung in der Neuzeit zuwenden und das speziell im Rammelsberger Revier in Goslar. Mit der Nutzung der Wasserkraft ab dem 16./17.Jahrhundert entstanden ganz neue Möglichkeiten und Technologien. So nutze man das Wasser zum Auswaschen von Lettern (erdige, taube Gangbestandteile) sowie zur Trennung von Erz und tauben Gestein, über die unterschiedliche Dichte der Mineralien. Die Wasserkraft wurde darüber hinaus auch für die Pochwerke eingesetzt. So werden Stampfwerke, Stoßwerke oder Schlagwerk genannt, die zum Zerkleinern der Erze dienen. Diese Pochwerke waren in der Regel in den tiefen Flusstälern angesiedelt, wohin man das Erz transportierte. Das Wasser bezogen die Pochwerke von den Gruben, wo es zuvor Kehr- und Kunsträder in Bewegung gehalten hatte.

Bis zum Beginn des Industriezeitalters (um 1850) war die Erzaufbereitung dennoch mit viel Handarbeit verbunden und zudem recht dezentral und kleinräumig angelegt. Nach 1850 wurden die verstreuten kleineren Pochwerke und Erzwäschen durch zentralere Erzaufbereitungen abgelöst. Das Grundprinzip Grobzerkleinerung – Handscheidung – Sieben – Setzen – Feinzerkleinerung – Herdwaschen/ Feinsetzen und Schlammwäsche blieb auch weiterhin sehr ähnlich, wurde jedoch ständig technologisch perfektioniert und mechanisiert. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde ein nassmechanisches Erzaufbereitungsverfahren eingeführt, dass nach dem 1. Weltkrieg durch ein Flotationsverfahren abgelöst wurde. Dieses Flotationsverfahren wurde ständig perfektioniert und bis zur endgültigen Einstellung der Förderung im Rammelsberg im Jahr 1988 angewandt. Zwar konnte die Ausbringung der Metalle aus den Erzen ständig erhöht werden, dennoch ging der Abgang der Nassaufbereitung in dazu angelegte Bergbauteiche zwischen Goslar und Oker. Dort lagerten sich diese stark erz- und mineralhaltigen Pochwerksschlämme in den Bergteichen am Bollrich als Bodensatz ab.

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Experten der TU Clausthal-Zellerfeld haben nun vor einigen Jahren die Spur dieses Bodensatzes aufgenommen, in dem sie begannen ihn einer chemischen Analyse zu unterziehen. Was die Wissenschaftler auf dem Grund dieser unscheinbaren Teiche vermuten, hört sich wie der Stoff zu einem Märchen an: 1,5 Tonnen Gold, 200 Tonnen Silber, 14.000 Tonnen Kupfer, 70.000 Tonnen Blei, 100.000 Tonnen Zink, 1,5 Mio. Tonnen Schwerspat sowie seltene und wertvolle Metalle wie Iridium, Kobalt und Gallium.

„Man kann davon ausgehen, dass in dem Sediment Metall im Wert von mehreren hundert Millionen Euro lagert“, meint der Clausthaler Professor Daniel Goldmann, der einen Lehrstuhl für Rohstoffaufbereitung und Recycling innehat. „Und das ist keine Vermutung auf blauen Dunst“, meint Goldmann.

Um die Metalle und Mineralien zu orten, zu bergen, zu gewinnen und aufzuarbeiten hat die TU Clausthal mit Firmen und Institutionen einen Verbund gebildet. Bund und Land fördern das Projekt vorerst mit zwei Millionen Euro.

Die notwendige Entnahme von Bohrkernen aus den Teichsedimenten wurde im Dezember 2015 abgeschlossen. Nun werden die entnommenen Proben in der TU Clausthal untersucht. Es werde dann noch einige Jahre dauern, bis die Verfahren zur Aufbereitung des metallhaltigen Materials soweit entwickelt seien, dass der Schatz tatsächlich gehoben und aufbereitet werden könne, sagt Prof. Goldmann.

Das Projekt um die Goslar-Rammelsberger Teichsedimente ist jedoch nicht das einzige Projekt, dass eine Renaissance des Harzer Bergbaus verspricht. Auch Lagerstätten, die früher aus wirtschaftlichen Gründen nicht bergbaulich genutzt wurden, geraten wieder in den Focus und selbst die gewaltigen Abraumhalden des Bergbaus sind Gegenstand von Nutzbarkeitsanalysen. Aber dazu mehr in einem späteren Beitrag.




Energie durch technische Photosynthese

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Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren hat uns die Natur die Photosynthese beschert. Dieser chemisch-physikalische Prozess bezeichnet die Erzeugung von energiereichen Stoffen aus energieärmeren Stoffen mit Hilfe von Lichtenergie und wird in der Natur von Pflanzen, Algen und zahlreichen Bakterien praktiziert.

Der Prozess der Photosynthese ist wissenschaftliche weitgehend erforscht, ihn jedoch technisch nachvollziehen zu können, ist eine ganz andere Sache. Dennoch geht das Konzept der künstlichen Fotosynthese zurück auf das Jahr 1912. Jedoch wie bei den meisten anderen Technologien auch, fehlte es damals an Umsetzungsmöglichkeiten. Erst 1972 begannen sich japanische Forscher Gedanken darüber zu machen, wie ein Apparat aussehen könnte, der Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten könnte. Andere Spaltungstechnologien für Wasser wurden jedoch bereits im 2. Weltkrieg erforscht.

Einer der Pioniere der künstlichen Photosynthese ist der amerikanische Harvard Professor Daniel George Nocera (*1957). Üblicherweise entsteht in der Natur bei der Photosynthese Zucker. Bei dem technisierten Prozess hingegen soll grundsätzlich Wasserstoff entstehen. Nocera hat einen Weg gefunden, gewisse Prozesse dieser komplexen Synthese technisch nach zu vollziehen. Das dabei der Schwerpunkt auf die Synthese von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gelegt wird hat energetische Ursachen: Wasserstoff enthält mehr Energie pro Gewichtsanteil als jeder andere chemische Brennstoff. Zudem verursacht Wasserstoff bei der Verbrennung keine schädigenden Emissionen und gilt daher als Energieträger der Zukunft.

Prof. Nocera sagt dazu: „In jeder Stunde trifft mit dem Sonnenlicht mehr Energie auf die Oberfläche der Erde, als wir Menschen in einem Jahr verbrauchen. Wir benötigen also nur einen kleinen Teil davon.

Besonders im kalifornischen Pasadena, im California Institute of Technologie (Caltech) versucht ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern es den Pflanzen gleich zu tun – hat aber weitaus mehr Mühe damit. Welches Interesse die USA dennoch an diesem Zukunftsprojekt haben, zeigt die Bereitstellung von 115 Mio.$ über 5 Jahre mit denen 190 Wissenschaftler gefördert werden. Dennoch sind die Fortschritte, die bisher erzielt wurden überschaubar. Man hatte sich das Ganze wohl einfacher vorgestellt. Die Forscher bezeichnen ihren Apparat als „künstliches Blatt“. Das erfüllt zwar in der Forschung schon seinen Zweck ist jedoch vom Einsatz in der Praxis noch weit entfernt.

Der wissenschaftliche Direktor von Caltech, Nathan Lewis, sagt über sein Projekt: Man verlangt drei Dinge von einem künstlichen Blatt: es soll einen hohen Wirkungsgrad besitzen, kostengünstig und robust sein. Und ich könnte bereits heute mit zwei dieser Eigenschaften – ganz egal welche – dienen, aber nicht mit allen drei gleichzeitig.“


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Prinzipiell besteht das „Künstliche Blatt“ aus zwei Halbleiterelektroden die mit einem Katalysator beschichtet sind und die einen Teil der Lichtenergie des Sonnenspektrums absorbieren können. Das Wasser wird in seine beiden Bestandteile zerlegt und die entstandenen Gase durch eine Membran getrennt. Das Prinzip hört sich nicht spektakulär an, ist es aber dennoch.

Die Krux am „Künstlichen Blatt“ ist, eine optimale Zusammenstellung der verschiedenen Materialkomponenten zu finden. Insbesondere die Materialauswahl für die Photokathode, die das Sonnenlicht absorbiert und das Wasserstoffgas erzeugt stellt sich problematisch dar – wie gesagt kostengünstig, zuverlässig und mit hohem Wirkungsgrad. Tausende verschiedene Materialkombinationen werden dazu untersucht und getestet.

Beim Caltech Projekt – Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) – führt man einen Teil dieser Materialtests mit Tintenstrahldruckern durch, die pausenlos kleine Legierungsproben auf Glasplatten drucken. Die Forscher prüfen dann, ob sich einer der aufgedruckten Werkstoffe als Katalysator oder Lichtabsorber eignet. Zusammengenommen vermögen die Drucker, täglich bis zu eine Million unterschiedliche Proben herzustellen.

In zahlreichen anderen Forschungsprojekten überall auf der Welt werden alternative Lösungsansätze für die technische Photosynthese verfolgt. Jedoch sind diese Systeme nicht ungefährlich, wenn sie in großer Anzahl betreiben werden. In Santa Barbara, Kalifornien – testet ein junges Unternehmen namens HyperSolar beispielsweise ein System, in dem beschichtete Nano- oder Mikropartikel sowohl Lichtabsorber als auch Katalysator in sich vereinen und in einem transparenten, mit Wasser gefüllten Kunststoffbeutel verstaut werden. Scheint Sonnenlicht auf den Beutel, bilden sich Wasserstoff- und Sauerstoffgas darin, und er bläht sich auf. Das Problem ist, dass beide Gase gemeinsam erzeugt werden. Stellte man diese Beutel in großen Batterien auf und kommt es nur an einem zu einer Explosion, so erfolgt eine Kettenreaktion mit katastrophalem Ausmaßen.

Wissenschaftler machen derzeit Fortschritte an allen Fronten. „Doch letzten Endes“, so Devens Gust von der Arizona State University in Tempe, „weiß noch niemand wirklich, welcher Ansatz sich behaupten wird, welcher sich als praktikabel erweist.“

Ich bin davon überzeugt, dass in den nächsten 10 Jahren eine praktikable Methode für die technische Photosynthese gefunden werden wird. Ob diese dann jedoch auch schon in die Praxis überführt wird ist fraglich. Zu mächtig ist die Erdöl- und Energielobby und auch die internationale Politik ist in Umweltfragen gern populistisch unterwegs. Sie müsste, wenn wir mit Wasser fahren könnten, vollständig auf die beträchtlichen Steuern auf Energie und Treibstoff verzichten. Ob sie das ohne große Not wirklich will, wird uns die Zukunft zeigen. Wir dürfen gespannt sein!