Energie Chemische Quellen sollen die Versorgung sichern

In Zeiten des globalen Klimawandels, immer knapper werdender fossiler Ressourcen und steigender Strom- sowie Treibstoffpreise ist es dringend geboten, neue Energiequellen zu erschließen, den Energiebedarf zu senken und die Effizienz der Energieerzeugung zu steigern. Angesichts dieser Aufgaben ist es offenkundig, dass die chemische Forschung auf dem Energiesektor zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Schließlich sind es häufig Innovationen aus den Chemielaboratorien, die bei der Umwandlung, Speicherung oder Nutzung von Energie zum Zuge kommen. Um die Kompetenzen hierzulande zu stärken und die Forschungsaktivitäten zu intensivieren, haben die deutschen Chemieorganisationen - darunter die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), der Verband der Chemischen Industrie (VCI) sowie die Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie (Dechema) - ein gemeinsames Positionspapier erarbeitet, das den verheißungsvoll anmutenden Titel trägt „Energieversorgung der Zukunft - der Beitrag der Chemie“.

Die Veröffentlichung erscheint angesichts des großen Themenspektrums mit gerade einmal 40 Seiten auf den ersten Blick recht dünn. Die geringe Seitenzahl folgt aber eher aus der bewusst recht knapp gehaltenen Darstellung der einzelnen Themen als aus einem Mangel an Ideen, auf welchen Gebieten die Chemiker sich in der Lage sehen, wichtige Beiträge zur Lösung der drängenden Energieprobleme leisten zu können - von der Gewinnung von Biokraftstoffen und Wasserstoff über die Stromerzeugung mit Sonnenlicht oder Brennstoffzellen und die Speicherung von Energie mit Batterien und Supercaps bis hin zur effizienten Nutzung von Energie durch Leuchtdioden und Energiesparlampen und den schonenden Umgang mit ihr, durch Leichtbauwerkstoffen oder Dämmmaterialien.

Leuchtdioden: Die sparsamsten Lichtquellen

Auf vielen Forschungsgebieten befindet sich die Chemie offenkundig hierzulande schon in einer guten Ausgangsposition. So nimmt Deutschland eine Vorreiterrolle bei der Suche nach Lichtquellen ein, die den Strom deutlich effizienter in Licht umwandeln als die herkömmlichen Glühbirnen. Diese nutzen nur fünf Prozent der aufgebrachten Energie als sichtbares Licht, der Rest geht als Wärmestrahlung verloren. Grosse Hoffnung setzt man auf Leuchtdioden (LED) auf Halbleiterbasis ab, die zudem wesentlich robuster und langlebiger sind als die gemeinen Glühbirnen. Mittlerweile gibt es Leuchtdioden für alle Spektralfarben und neuerdings sogar für weißes Licht.

Zu verdanken ist das Forschern wie Wolfgang Schnick von der Ludwig-Maximilians-Universität in München, die mit den sogenannten Nitridosilikaten eine lumineszierende Materialklasse aufgetan haben, die den Bau weißer Leuchtdioden ermöglicht. Grundbaustein dieser Lichtquellen ist eine blaue Leuchtdiode, die mit zwei verschiedenen Nitridosilikaten ummantelt ist, welche orangerotes und gelbgrünes Licht ausstrahlen. Dadurch wird ein Teil des emittierten blauen Lichts in rote und grüne Strahlung umgewandelt. Alle drei Farben überlagern sich, so dass die Led behaglich es „warmweißes“ Licht erzeugt. Mittlerweile ist die Industrie in der Lage, die schwierig zu synthetisierenden Nitridosilikate in großen Mengen herzustellen.

Derzeit werden etwa zehn Prozent der erzeugten elektrischen Energie für Beleuchtungszwecke verwendet. Hier gibt es offensichtlich noch gewaltige Einsparmöglichkeiten. Leuchtstofflampen, zu denen auch die sogenannten Energiesparlampen zählen, haben bereits eine fünfmal so hohe Lichtausbeute wie gewöhnliche Glühbirnen. Sie benötigen also bei gleicher Helligkeit rund 80 Prozent weniger Strom und liefern 25 Lumen pro Watt. Was die Helligkeit betrifft, haben Leuchtdioden die Energiesparlampen bereits eingeholt. So will die Firma Osram im Sommer eine kaltweiße LED-Lampe auf den Markt bringen, die 75 Lumen pro Watt liefert. Der Strahler ist heller als eine 50-Watt-Halogenlampe. Einer Studie des amerikanischen Energieministeriums zufolge könnten pro Jahr allein 35 Milliarden Kilowattstunden Strom eingespart werden, würde man im Verkehrssektor - Ampeln, Automobilbeleuchtung, Markierung an Straßen und auf Flugplätzen - sämtliche Glühlampen durch weiße oder farbige Leuchtdioden ersetzen.

Thermoelektrika - wie aus Hitze der Strom entsteht

Ein anderes großes chemisches Forschungsfeld betrifft den Sektor der Energieerzeugung. Neben Photovoltaik und Brennstoffzellentechnik sollten nach Ansicht der deutschen Chemieorganisationen die sogenannten Thermoelektrika stärkere Beachtung erfahren. Diese Materialien wandeln Wärme - das kann Sonnenlicht sein, aber auch Abwärme von technischen Prozessen - direkt in Strom um. Die derzeit verwendeten Thermoelektrika weisen allerdings nur einen Wirkungsgrad von etwa zehn Prozent auf, weshalb ihre Anwendung bislang auf Randbereiche wie die Raumfahrt beschränkt ist. In der Raumsonde Cassini-Huygens etwa, die den Saturn und seine Monde erforscht, wird ein Teil des Stromes dadurch erzeugt, dass ein thermomelektischer Generator, die Wärme, die beim radioaktiven Zerfall entsteht, in Strom umwandelt.

Bei den Thermoelektrika handelt es sich um Halbleitermaterialien, die mit zusätzlichen Ladungsträgern dotiert sind. Tritt in den Thermoelektrika ein starkes Temperaturgefälle auf, beginnen die Elektronen, von der heißen zur kalten Seite zu wandern, und es fließt ein elektrischer Strom. Für effiziente Stromerzeugung benötigt man Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, aber gleichzeitig schlechter Wärmeleitfähigkeit. Diesen eigentlich unüberbrückbaren Gegensatz versucht beispielsweise die Arbeitsgruppe von Sabine Schlecht von der Freien Universität Berlin zu überwinden. Gute Ergebnisse haben die Forscher unter anderem mit Telluriden erzielt, die durch ein spezielles Herstellungsverfahren eine innere Struktur im Nanometerbereich aufweisen.

Thermoelektrika könnten - glaubt man dem Positionspapier der Chemiker - einen großen Beitrag bei der umweltverträglichen Erzeugung elektrischer Energie einleiten, versprechen sie doch eine kostengünstige, aber vor allem emissionsfreie Stromerzeugung. In den vergangenen zehn Jahren wurde der Gütewert - das Maß ist für die Qualität und Effizienz thermoelektrischer Materialien - bereits mehr als verdoppelt; der Wert stieg von eins auf deutlich über zwei. Eine weitere Steigerung auf Gütewerte von drei bis vier wird für die nahe Zukunft erwartet. Mit verbesserten thermoelektrischen Materialien könnte nach Ansicht der Verfasser des Positionspapiers die breite praktische Nutzung zur Stromgewinnung erfolgen. Etwa in dem man die Restwärme in Abgasleitungen oder die in Solarzellen entstehende in elektrische Energie verwandelt oder den Wirkungsgrad von Solarzellen erhöht, in dem man die entstehende Wärme verwertet.

Brennstoffzellen - Energiewandler mit großer Wirkung

Während sich die Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet hierzulande noch eher in Grenzen halten, gilt Deutschland - zumindest innerhalb Europas - als Vorreiter bei der Entwicklung von Brennstoffzellen. Diese Geräte, die breite Anwendungsmöglichkeiten vom stationären Blockheizkraftwerk bis zur mobilen Stromversorgung des Notebooks versprechen, vereint viele Vorteile: Dazu gehören die dezentrale Energieerzeugung, die Flexibilität im Hinblick auf den Brennstoff sowie die nahezu verlust- und emissionsfreie Umwandlung von chemischer Energie in Wärme und Strom. Doch noch immer spielen Brennstoffzellen für die Energieversorgung nur eine geringe Rolle. Die Schwachpunkte sind die zu kurze Lebensdauer der Systeme, insbesondere der verwendeten Elektroden und Elektrolyten. Zudem mangelt es an Verfahren zur Massenfertigung, Ein Manko sind zudem die hohen Herstellungskosten: Als Katalysator wird teures Platin benötigt - für einen Membran-Brennstoffzellenstack mit einer Leistung von 75 Kilowatt braucht man immerhin 120 Gramm des Edelmetalls.

Unter den Brennstoffzellentypen weisen Festoxid-Brennstoffzellen, kurz Sofcs, die Strom und Wärme bei Betriebstemperaturen von bis zu tausend Grad liefern, mit mehr als 60 Prozent den höchsten Wirkungsgrad auf. Unter diesen Bedingungen ist kein teurer Edelmetallkatalysator nötig, und es kann neben Wasserstoff auch Erdgas als Brennstoff verwendet werden. Die hohen Temperaturen stellen allerdings besondere Anforderungen an die verwendeten Materialien. Trotz aller Fortschritte gibt es bislang nur wenige kommerzielle SOFC-Zellen auf dem Markt. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS) in Dresden haben gemeinsam mit Industriepartnern ein Aggregat im Leistungsbereich von eins bis fünf Kilowatt für Fahrzeuge oder Segelboote entwickelt, dass schon im kommenden Jahr auf den Markt kommen könnte.

Teure Katalysatoren

Die Membran-Brennstoffzelle, kurz Pem genannt, erreicht ebenfalls recht hohe Leistungsdichten und erfährt hierzulande ähnlich intensive Forschungsaktivitäten. Ihr Herzstück, eine Membran, die die Brennstoffe Sauerstoff und Wasserstoff sicher voneinander trennt, aber für Ionen durchlässig ist, ist gleichzeitig ihr emfpindlichstes Element. Weil die Membran stets feucht sein muss, darf die Arbeitstemperatur dieses Zelltyps 100 Grad nicht überschreiten, weil sonst eine Zersetzung eintritt. Die Forscher entwickeln deshalb neue Membranen für Betriebstemperaturen bis zu 200 Grad, die unter anderem leistungsstarke Zellen für Automobilantriebe ermöglichen sollen. Aktiv ist auf diesem Gebiet beispielsweise das Zentrum für Brennstofftechnik der Universität Duisburg-Essen tätig. Dort werden anorganisch-organische Hybridmembranen getestet, bei denen die anorganische Komponente den Wassergehalt der Membran reguliert und zugleich deren Temperaturstabilität verbessert.

Parallel dazu suchen Wissenschaftler nach Speichermöglichkeiten etwa für den Brennstoff Wasserstoff, mit dem auch die Pem-Brennstoffzelle betrieben wird. Als mögliche Kandidaten werden gitterförmig aufgebaute Feststoffe gehandelt, die eine große innere Oberfläche aufweisen. Geeignet erscheinen sogenannten Mofs (metal organic frameworks), die pro Gramm Substanz eine innere Oberfläche von bis 4000 Quadratmeter aufweisen. Diese erst vor einigen Jahren entdeckten Verbindungen können bis zu sieben Prozent ihres Eigengewichts an Wasserstoff aufnehmen - also soviel, wie ein praktisch nutzbarer Wasserstoffspeicher haben sollte. Erforscht werden Mofs beispielsweise am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart von Forschern um Michael Hirscher. Während die Wissenschaftler versuchen, die Zusammensetzung der Mofs im Hinblick auf eine optimale Porengröße zu verändern, haben derweil Forscher bei der BASF einen neuen elektrochemischen Syntheseweg entdeckt, der die Wasserstoffspeicher kostengünstig und in großem Maßstab verfügbar macht.

Biomasse - die Quelle für Kraftstoff

Noch sind Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellantrieb nicht serienmäßig verfügbar. Grundlage für unsere Mobilität werden daher noch einige Zeit flüssige Treibstoffe und Verbrennungsmotoren bleiben. Vor dem Hintergrund der schwindenden Erdöl-Vorkommen sind Chemiker deshalb auch gefragt, wenn es um die Gewinnung von Kraftstoffen aus Kohle, Erdgas oder Biomasse geht. Je nach Rohstoff fallen die Forschungsanstrengungen dabei ganz unterschiedlich aus. Die Kohlevergasung jedenfalls, eine ursprünglich deutsche Erfindung, wird hierzulande schon lange nicht mehr betrieben, da man auf konkurrenzlos billiges Erdöl zurückgreifen kann. Sollte man sich in Deutschland wieder für das Verfahren interessieren, müsste die Forschung in diesem Bereich wiederbelebt werden. Die in Deutschland langfristig begründete Kompetenz in Sachen Katalyse konnte hingegen offenbar auf einem anderen Gebiet erfolgreich weiterentwickelt werden: Das Positionspapier sieht die deutschen Chemiker in einer führenden Rolle bei der Herstellung von Biokraftstoffen, vor allem den sogenannten BtL-Kraftstoffen, die durch die Vergasung von Biomasse entstehen.

Leuchtdioden, Thermoelektrika, Brennstoffzellen und Biokraftstoffe sind nur vier von vielen zukunftsweiesenden Entwicklungen auf dem Energiesektor. Die zentrale Rolle der Chemie, Energie auch künftig umweltverträglich und ökonomisch sinnvoll verfügbar zu machen, sei vielfach noch nicht erkannt worden, monieren die Autoren des Positionspapiers. Das schlage sich in fehlenden Fördergeldern und mangelndem öffentlichen Ansehen nieder. Der breiten Öffentlichkeit präsentiert sich die Chemie mit dem Positionspapier jedenfalls als Problemlöser mit enormem Potenzial und nicht mehr als „Trouble Maker“ - ein Image, das sie nach mehreren spektakulären Chemieunfällen und Umweltskandalen jahrzehntelang innehatte.