Die Platzierung von Kraftwerke zur Erzeugung regenerativen Stroms (z. B. aus Wind- oder Solarenergie) an Orten mit hoher und relativ konstanter natürlicher Energie ist entscheidend: von Wüsten bis hin zu maritimen Gebieten. Ebenso wichtig ist es, die Verbindung zwischen Energie- und Materialproduktion so direkt wie möglich zu gestalten (Kollokation in einer einzigen Anlage): „Abfallenergie“ aus einem Prozess kommt dem anderen zugute => höhere Effizienz. Elektrizität kann in Kraftstoffe umgewandelt und bei Bedarf wieder zurückverwandelt werden.
Mehr als genug natürliche Energie, aber wie speichern?
Die oft zitierte Schlussfolgerung, dass wir den weltweiten Energiebedarf (ja, sogar über E-Fuels) mit Solarpaneelen auf einem sehr kleinen Prozentsatz der Wüsten der Welt decken könnten, ist wahrscheinlich zutreffend. Es gibt sogar Wüsten (meist in höheren Lagen), in denen die Windgeschwindigkeiten hoch sind, was sie für eine kombinierte Solar- und Windenergieerzeugung attraktiv macht. Die große Frage ist, wie diese Energie gespeichert werden kann, denn wenn es möglich ist, sie zu speichern – und somit Schwankungen zwischen Angebot und Nachfrage auszugleichen – könnte der Umfang der Energieerzeugungsanlagen minimiert werden: Das wäre gut für die Umwelt. Eine Möglichkeit wären Batterien vor Ort, die mit dem Stromnetz verbunden sind. Solche Megabatterien hätten jedoch aufgrund des notwendigen Abbaus der erforderlichen Mineralien selbst enorme Umweltauswirkungen…
Die Kopplung von Energie- und Materialwirtschaft ist vorteilhaft…
Eine Alternative zu Batterien wäre Wasserstoff oder ein synthetischer Wasserstoffträger. Die chemische Industrie steht unter ebenso großem Druck, fossile Brennstoffe aufzugeben wie jeder andere Sektor: Schließlich wird ein großer Teil der von ihr produzierten Materialien letztendlich verbrannt, wodurch CO2 freigesetzt wird. In kohlenstoff-/wasserstoffbasierten synthetischen Kraftstoffen finden wir in einem sowohl Energieträger als auch wesentliche Grundstoffe für die chemische Industrie: Methanol und Methan sind die beiden wichtigsten. Warum ist es entscheidend, dass wir erneuerbare Stromerzeugungsanlagen direkt in derselben Industrieanlage wie Anlagen zur Kraftstoff-/Materialsynthetisierung errichten?
Im Allgemeinen führt die Kopplung von Aktivitäten, unabhängig davon, wo sich eine Anlage genau befindet, nicht nur zu Effizienzgewinnen, sondern auch zu mehr Flexibilität. Wärme entweicht nicht mehr und geht verloren, und Elektrizität kann in andere Energieträger oder Materialien umgewandelt und bei Bedarf wieder zurückverwandelt werden.
Methan und Methanol: praktische Energieträger und Rohstoffe…
Stellen Sie sich ein Kraftwerk für erneuerbare Energie vor, das Wasser elektrolysiert, um H2 zu erzeugen, und mit der durch diesen Prozess erzeugten Wärme Teile einer CO2-Abscheideanlage vor Ort betreibt. In verschiedenen chemischen Synthesen werden H2 und CO2 jeweils in Methanol und Methan umgewandelt. Unter den richtigen Bedingungen werden Brennstoffe wie Benzin, Diesel und Kerosin produziert. Diese Synthesen liefern die notwendige Wärme für die Hochtemperaturelektrolyse, die Wasserstoff am effizientesten erzeugt. Die Speicherung der synthetischen Brennstoffe ist sehr einfach, da sie im Vergleich zu Wasserstoff wenig flüchtig sind. Während Perioden mit hoher Nachfrage, aber geringer natürlicher Energieverfügbarkeit, können diese Speicher – durch Umkehren der Richtung der Syntheseeinheit – wieder in Elektrizität umgewandelt werden. Die Speicher wären natürlich auch die Quelle von Rohstoffen für die chemische Industrie und Energie für verschiedene Verkehrssektoren.
Die Gobi-Wüste, die sich über Südmongolei und Nordwestchina erstreckt, weist diese Eigenschaften auf und bietet das Potenzial, verschiedene Höhen für Kraftwerksstandorte auszuwählen. Sie wird bereits mit dem Ziel untersucht, Kraftwerke zur Nutzung natürlicher Energie zu entwickeln. Die Sonne ist hier tagsüber reichlich vorhanden; die Winde erreichen ihren Höhepunkt gegen 16 Uhr, sind jedoch auch nachts noch ziemlich stark, was die Zeit überbrückt, in der Photovoltaikanlagen inaktiv sind.
Wir müssen vernünftige Kompromisse eingehen: Kein Lebewesen, einschließlich des Menschen, kann auf der Erde existieren, ohne eine Auswirkung zu haben. Wir müssen unsere Auswirkungen auf das Minimum reduzieren. Dies können wir im Energiesektor tun, indem wir Wüsten nutzen, in denen niemand lebt, keine Landwirtschaft betrieben wird und die biologische Vielfalt relativ gering ist.
Die Produkte der chemischen Synthesen reichen von Methanol über Methan bis hin zu Flüssigkraftstoffen, die Diesel, Kerosin oder Benzin ähneln. Es wird eine völlig neue Speicher- und Verteilungsinfrastruktur für reinen Wasserstoff vermieden (in der untenstehenden Abbildung ausgegraut), und es werden sehr kostengünstige Rohre und Speicherbehälter eingesetzt. Es ist sehr einfach skalierbar und kann sehr große Mengen an Energie für sehr lange Zeiträume ohne nennenswerte Verluste speichern:
Wenn wir reinen Wasserstoff als speicherbare und verteilbare Energieform nutzen, benötigen wir ein sehr großes, kostspieliges und wartungsintensives System zur Hochdruckkompression, Kühlung und Hochdruckverteilung. Dieses System hat zudem eine relativ kurze Lebensdauer und muss häufiger als konventionelle Infrastrukturen ersetzt oder repariert werden. Um synthetische, CO2-neutrale, kohlenstoffbasierte Kraftstoffe herzustellen, benötigen wir ebenfalls Wasserstoff, jedoch bei viel niedrigerem Druck: Dieser kann direkt in den Produktionsprozess eingebracht werden, ohne bei -253 °C gelagert oder über sehr lange und hochspezialisierte Rohrleitungen verteilt zu werden. Stattdessen wird er sofort zusammen mit CO2 (das aus der Luft oder aus Rauchgasen gewonnen wird) verwendet, um Kraftstoffe herzustellen, die leicht zu lagern und zu verteilen sind. Die Analogie zu grünen Pflanzen ist hier sehr stark: Pflanzen speichern keinen Wasserstoff, sondern wandeln ihn sofort in kohlenstoffbasierte Energieträger um.
Es gibt viele weitgehend karge Gebiete auf der Erde, die entweder für Photovoltaik- oder Windkraft geeignet sind und daher attraktive Standorte für Kraftwerke darstellen. Energieengpässe zwischen Photovoltaik- und Windkraft könnten nicht-lokal über Stromleitungen überbrückt werden. Viele dieser Leitungen existieren bereits als Teil des normalen Stromnetzes, und deren Kapazität zu erweitern, ist eine moderate Herausforderung.
Einige Orte auf der Erde – meist an oder in der Nähe von Ozeanen – haben so hohe Windgeschwindigkeiten über 24 Stunden am Tag, dass Windkraft allein eine kontinuierlich arbeitende, hocheffiziente Kraftstoffsyntheseanlage betreiben könnte. Eine Pilotanlage dieser Art existiert bereits in der Nähe von Punta Arenas im Süden Chiles. Dieser Ansatz nutzt Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser und CO2, das entweder aus der Luft oder aus industriellen Rauchgasen gefiltert wird.
Je höher die Lage, desto geringer ist die Biodiversität, auf die man Rücksicht nehmen muss. Außerdem gibt es in hochgelegenen Wüsten in der Regel mehr Wind, was insbesondere nachts wichtig ist. Die Syntheseanlage muss für maximale Effizienz Tag und Nacht aktiv bleiben. Auf der Zeitskala weniger Stunden könnten sogar kleine Batterien eine gute Lösung sein, um Schwankungen in der Solarenergie auszugleichen. In biologischen Zellen speichern die sogenannten “Mitochondrien” elektrische Energie für den kurzfristigen Gebrauch; für die längerfristige Speicherung und den Transport von Energie nutzt die Biologie jedoch kohlenstoffbasierte Substanzen.
Wenn wir alle drei Standorttypen aus dem Bild am Anfang dieser Seite betrachten, könnten wir wahrscheinlich genug Strom erzeugen, um den gesamten aktuellen Benzinverbrauch weltweit zu ersetzen. Dafür würden wir weniger als 1 % der Fläche aller Wüsten und weitgehend kargen, konstant windigen Orte auf der Erde nutzen. Noch besser wäre es, gleichzeitig den Benzinverbrauch drastisch zu reduzieren!
Energie geht niemals „verloren“: Sie kann nur ihre Form ändern, und wenn wir sie zurückgewinnen können, bevor sie in die Umgebung diffundiert, können wir die Verluste minimieren. Die bei einem Prozess freigesetzte Energie kann (teilweise oder vollständig) genutzt werden, um einen anderen Prozess anzutreiben. Ein sehr einfaches Beispiel ist der Niederdruckdampf, der zwar nicht mehr sehr heiß ist, aber dennoch aus einem Kraftwerk stammt und über isolierte Rohre in Wohngebiete geleitet werden kann, um dort Heizwärme bereitzustellen.
Ein weiteres Beispiel wäre ein Windgenerator, der in einer windreichen Region der Welt relativ konstant läuft. Direkt vor Ort könnte ein Elektrolyseur betrieben werden, der aus Wasser grünen Wasserstoff herstellt. Die bei dieser Reaktion entstehende Wärme könnte in die CO2-Abscheidungsanlage eingespeist werden, da die Absorptionsfilter auf etwa 85 °C erhitzt werden müssen, um das CO2 freizusetzen. Weitere Wärme könnte teilweise dazu genutzt werden, die Ventilatoren und Kompressoren dieser Anlage anzutreiben. Durch diese Integration würden Energieverluste deutlich reduziert.
Integration bietet nicht nur Effizienzgewinne, sondern auch Flexibilität. Integration ist der Schlüssel zur Diversifizierung und zum Erfolg der Biologie. Die Zellen mit der größten evolutionären Vielfalt sind sogenannte „eukaryotische“ Zellen. Diese enthalten winzige Maschinen (Mitochondrien), die zunächst kohlenstoffhaltige Energieträger (Fette und Zucker) „verbrennen“, um Elektrizität zu erzeugen. Diese wird fast unmittelbar in biologisch nutzbare chemische Energie (ATP) und Materialien für den Rest der Zelle umgewandelt. In ähnlicher Weise nutzen menschliche Wirtschaftssysteme Kohlenstoff in einer enormen Vielfalt von Produkten. Biologische Zellen können den größten Teil dieser Biochemie leicht umkehren und Energie aus kohlenstoffbasierten Substanzen gewinnen. Pflanzenzellen produzieren im Wesentlichen alle biologischen Energien und Materialien, die das Leben auf der Erde unterstützen. Die Chloroplasten in Pflanzen spalten Wasser – setzen dabei zunächst Wasserstoff frei – genauso wie Elektrolyseure, die von Menschen gebaut werden.
Chemische Syntheseanlagen, die sehr ähnliche Umwandlungen wie Zellen durchführen, wurden bereits gebaut. Sie basieren auf dem Konzept der Reversibilität zwischen energietragenden Chemikalien und elektrischer Energie: Im Grunde „verbrennen“ sie Chemikalien katalytisch – ähnlich wie die Zellen in allen lebenden Organismen – um Elektrizität zu erzeugen, und verwenden Elektrizität, um Chemikalien aus Rohstoffen herzustellen. Auf diese Weise können sie leicht eine einzige Anlage bilden, die sowohl der Energiespeicherung, der Rückgewinnung von Elektrizität als auch der Produktion von Rohstoffen für die chemische Industrie dient.
Zwei sehr wichtige Energieträger und chemische Rohstoffe sind Methanol und Methan. Diese entstehen direkt aus gut etablierten chemischen Synthesereaktionen (Fischer-Tropsch bzw. Sabatier). Daher können wir Anlagen bauen, in denen Methanol und Methan beispielsweise…
> Auswahl optimaler Standorte für photovoltaische Anlagen in Wüstengebieten
> Potenzial für Wind- und Photovoltaikenergieerzeugung in der Wüste Saudi-Arabiens
> Auswahl optimaler Standorte für die Windenergieerzeugung
> Wie viel des aktuellen Energiebedarfs könnte durch erneuerbare Energieanlagen in Gebieten mit geringer Umweltbelastung gedeckt werden?
> Mikroalgen als Modellsystem zur Demonstration von Energie- und Materialübergängen zwischen Chloroplasten und Mitochondrien
> Reversible Festoxid-Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung von Kraftstoff aus Elektrizität und Elektrizität aus Kraftstoff
andrewmoorescientist.com Analyses and comparisons in energy and material economies Email