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Erneuerbare Energien: Ameisensäure wird zum Wasserstoffspender

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Wenn Kohle, Gas und Öl verheizt sind, könnte die Energieversorgung stocken. Forscher setzen auf eine klimafreundliche Alternative: Wasserstoff. Sie haben eine günstige Methode entdeckt, das Gas zu gewinnen - und zu speichern.

Energiequelle der Zukunft: Wasserstoff-Gewinnung aus Ameisensäure Zur Großansicht
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Energiequelle der Zukunft: Wasserstoff-Gewinnung aus Ameisensäure

Hamburg - Das häufigste und leichteste Element des Universums ist Wasserstoff - ein Gas, das Energie speichern und transportieren kann. Es ist farb- und geruchlos und verursacht keine giftigen Abgase. Deshalb träumen Ingenieure davon, mit Wasserstoff Häuser zu beheizen oder Autos anzutreiben - wenn es nur nicht so schwer zu lagern wäre. Denn das Gas ist leicht entflammbar und nimmt aufgrund seiner geringen Dichte viel Platz ein. Das erschwert das Speichern - das Manko war für einen der schlimmsten Luftfahrtunfälle der Geschichte verantwortlich: den Absturz der "Hindenburg". Der knapp 250 Meter lange Zeppelin wurde mit dem hochexplosiven Gas betrieben und ging 1937 in Flammen auf.

Um so etwas zu vermeiden, muss Wasserstoff sicher gelagert werden: entweder unter hohem Druck oder unter minus 250 Grad gekühlt, damit sich das Gas verflüssigt. Beide Methoden kosten viel Energie und sind nur in robusten Tanks möglich.

Doch nun konnte ein deutsch-schweizerisches Forscherteam um Matthias Beller vom Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse das aufwendige Speichern des Wasserstoffs umgehen: Dadurch, dass Wasserstoff aus flüssiger Ameisensäure herausgeholt wird, benötigt er wenig Platz und kann leicht gelagert werden, sogar in einem Gefäß aus Glas. Ein Katalysator, der im Wesentlichen aus Eisen besteht, kann mit geringem Energieaufwand große Mengen Wasserstoff aus Ameisensäure gewinnen, berichten die Forscher im Wissenschaftsjournal "Science".

Ganz neu ist der Ansatz der Forscher nicht: Ameisensäure wurde erstmals im 17. Jahrhundert aus roten Ameisen gewonnen und bereits vor etlichen Jahren als Wasserstoffquelle entdeckt. In einem Liter Ameisensäure befinden sich 53 Gramm Wasserstoff, das entspricht im gasförmigen Zustand einem Volumen von nahezu 600 Litern Wasserstoff.

Ameisensäure kommt im Abwehrsekret von mehreren Insekten und Brennnesseln vor, entsteht aber auch beim Herstellen von Essigsäure.

In der Vergangenheit hatten bereits verschiedene Chemiekonzerne versucht, durch die flüssige Säure an Wasserstoff zu kommen. Doch die Gewinnung gelang bisher lediglich mit teuren Katalysatoren, zum Beispiel mit dem Edelmetall Ruthenium, mit dem auch Beller und seine Kollegen bereits 2008 experimentiert hatten.

Eisenhaltiger Katalysator setzt Wasserstoff frei

Das neue Verfahren ist nicht nur günstiger, weil Eisen, das für den neuen Katalysator verwendet wird, als eines der häufigsten Elemente leicht verfügbar ist. Mit Hilfe des Eisens, an das sich phosphathaltige Moleküle heften, konnten die Forscher auch schon bei Raumtemperaturen Wasserstoff von der Ameisensäure abspalten. Und das effektiv: Da der eisenhaltige Katalysator eine lange Lebensdauer von fast 100.000 Zyklen hat, reichen geringe Mengen von ihm aus, um ausreichend Wasserstoff zu produzieren. Pro Stunde konnten die Forscher nahezu 9500 Zyklen beobachten, die größte Menge Wasserstoff erreichten die Forscher bei etwa 80 Grad Celsius.

Ein weiterer Vorteil des neuen Katalysators sei, dass er die ebenfalls mögliche Zerlegung der Ameisensäure in das giftige Kohlenmonoxid und Wasser nahezu vollständig vermeide, schreiben die Forscher.

Zum Energiewunder wird Wasserstoff aber erst durch Brennstoffzellen: An ihren Membranen reagiert er mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser und gibt die gespeicherte Energie als Strom frei. Es entstehen keine giftigen Abgase, sondern nur reiner Wasserdampf.

Doch ein Problem hat das Verfahren noch: Beim Zersetzen von Ameisensäure mit Hilfe des Katalysators wird auch Kohlendioxid frei. Um das Klima nicht einer weiteren Kohlendioxidquelle auszusetzen und dadurch Brennstoffzellen zu schädigen, müssen die Forscher Wege finden, um das Gas wieder einzufangen. Laut Beller könne man das Kohlendioxid in Salzen binden und für die Neubildung von Ameisensäure verwenden.

Sollte dies gelingen, könnte reiner Wasserstoff der klimafreundliche Energieträger der Zukunft werden - vorausgesetzt der Wasserstoff dient als Zwischenspeicher für Sonnen-, Wind- oder Wasserenergie und nicht wie bisher üblich für Kohle- oder Ölenergie. "Angesichts begrenzter natürlicher Ressourcen ist ein Wechsel der Energieversorgung hin zu erneuerbaren Energien unumgänglich", betonte Ralf Ludwig, Chemiker an der Universität Rostock.

Vielleicht könnten Autos irgendwann mit flüssiger Ameisensäure statt Benzin betankt werden. Die Rostocker Forscher können sich vorstellen, dass erst einmal tragbare elektrische Geräte wie Laptops von der Methode profitieren.

Mit Material von dpa

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Vor-/Nachteile der Energieträger
Die Energiewirtschaft befindet sich im Umbruch - SPIEGEL ONLINE zeigt die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Energieträger.
Erdöl
Plus: Erdöl ist der Schmierstoff industrieller Volkswirtschaften. In Deutschland deckt Öl rund 35 Prozent des Energiebedarfs - so viel wie kein anderer Rohstoff. Im Verkehrssektor gibt es momentan kaum Alternativen zu Öl: Das bestehende Tankstellennetz ist auf Benzin und Diesel ausgerichtet, die heute gängigen Motoren fahren fast nur mit diesen beiden Treibstoffen.

Minus: Der Ölpreis ist in den vergangenen Jahren rasant gestiegen - und mit ihm der Spritpreis. Autofahrer mussten zeitweise mehr als 1,50 Euro für Benzin zahlen. Die deutsche Volkswirtschaft verliert dadurch Milliardenbeträge, denn das Land ist fast völlig von Importen abhängig. Weltweit liegen die meisten Ölvorkommen in politisch heiklen Regionen wie dem Nahen Osten, Russland, Venezuela oder Nigeria. Versorgungskrisen kann man daher nicht ausschließen. Darüber hinaus ist Erdöl ein endlicher Rohstoff: Die bekannten Vorkommen gehen langsam zur Neige. Große neue Felder wurden in den vergangenen Jahren kaum entdeckt - und wenn, dann nur in schwierig zu erschließenden Gebieten wie der Arktis. Hinzu kommt die CO2-Problematik: Wenn Öl verbrannt wird, entsteht das Klimagas Kohlendioxid .
Erdgas
Plus: Erdgas ist der klimafreundlichste fossile Energieträger - bei der Verbrennung entsteht weniger CO2 als bei Kohle oder Öl. Außerdem halten die Vorräte noch eine Weile: Die Reichweite der Gasvorkommen wird auf rund 60 Jahre geschätzt, bei Öl sind es nur 40 Jahre. Verfeinerte Fördertechniken machen zudem den Zugriff auf große neue Gas-Reservoirs möglich. Ein weiterer Vorteil: Gas kann einen wichtigen Beitrag zur Stromerzeugung leisten. Denn Gaskraftwerke lassen sich schnell hoch- und runterfahren - diese Flexibilität hilft, die Schwankungen beim Windstrom auszugleichen.

Minus: Weltweit verfügen nur wenige Länder über Gasvorkommen. Entsprechend groß sind die Abhängigkeiten - Deutschland bezieht rund 40 Prozent seines Erdgases aus Russland. Problematisch ist außerdem die noch immer weit verbreitete Bindung an den Ölpreis: Je teurer Erdöl wird, desto teurer wird auch Gas. Stromkonzerne klagen bereits, dass sich Gaskraftwerke kaum mehr rentieren. Private Haushalte kennen dasselbe Problem beim Heizen - Gas ist kaum günstiger als Öl. Auch beim Autofahren stellt Erdgas keine Alternative dar: Der aktuelle Preisvorteil gegenüber Benzin und Diesel liegt nur an der steuerlichen Begünstigung.
Kohle
Plus: Kohle gibt es fast überall auf der Welt - einseitige Importabhängigkeiten wie beim Gas sind deshalb nicht zu befürchten. Auch Deutschland verfügt über nennenswerte Ressourcen: Braunkohle lässt sich ohne Subventionen fördern, für Steinkohle ist dies bei weiter steigenden Preisen zumindest denkbar. Außerdem reichen die Vorräte so lange wie bei keinem anderen fossilen Energieträger: Schätzungen gehen von rund 200 Jahren aus. Kohle eignet sich vor allem zur Stromerzeugung in der Grundlast - rund 50 Prozent des deutschen Stroms stammen aus Kohlekraftwerken .

Minus: Kein Energieträger ist so klimaschädlich wie Kohle. Bei der Verbrennung entsteht rund doppelt so viel CO2 wie bei Gas. Problematisch könnte dies vor allem dann werden, wenn man bestehende Atomkraftwerke durch neue Kohlekraftwerke ersetzt - oder wenn Elektroautos künftig in großem Stil Kohlestrom tanken. Bedenklich sind außerdem die Arbeitsbedingungen, unter denen Kohle gefördert wird : Zu den größten Produzenten zählen China, Russland und Südafrika - Länder, in denen immer wieder Bergleute ums Leben kommen.
Atomenergie
Plus: Kernkraftwerke produzieren - wenn sie einmal gebaut sind - günstigen Strom. Der Rohstoff Uran wird nur in geringen Mengen verbraucht, so dass die laufenden Betriebskosten gering sind. Atomstrom kann in der Grundlast eingesetzt werden, also unabhängig von kurzfristigen Wetterschwankungen. In Frankreich wird Atomstrom auch zum Heizen verwendet, langfristig könnten so auch Elektroautos betrieben werden. Bei der Kernenergie wird kaum CO2 freigesetzt. Sie ist damit klimafreundlicher als Kohle oder Gas.

Minus: Der größte Nachteil der Atomenergie ist das Risiko eines GAUs. Selbst wenn man dafür eine geringe Wahrscheinlichkeit unterstellt - der Schaden wäre enorm. Die Katastrophe in Tschernobyl war nur ein Vorgeschmack dessen, was im dicht besiedelten Mitteleuropa passieren würde: Tausende Opfer, auf ewig verseuchte Landstriche, Vermögensverluste in zigfacher Milliardenhöhe. Hinzu kommt die ungelöste Frage der Endlagerung : Obwohl die Kernenergie seit rund 50 Jahren genutzt wird, gibt es bis heute keine dauerhafte Deponie für die verstrahlten Abfälle. Ob es überhaupt ein sicheres Endlager geben kann, ist umstritten: Der Atommüll strahlt zum Teil mehr als 100.000 Jahre lang - was in dieser Zeit alles passiert, kann niemand vorhersagen. In jüngster Zeit wird ein weiteres Problem immer häufiger diskutiert: Was geschieht, wenn Terroristen einen Anschlag auf ein Kernkraftwerk verüben? Oder wenn sie in den Besitz von spaltbarem Material gelangen? Sicherheitsexperten haben auf diese Fragen keine abschließende Antwort.
Wasser
Plus: Die Wasserkraft ist sehr umweltfreundlich - mit geringem Eingriff in die Natur lässt sich günstig Energie gewinnen. Rund fünf Prozent des deutschen Stroms stammen aus Wasserkraftwerken. Außerdem lässt sich in Stauseen sehr gut Energie speichern: Bei einem Überangebot an Strom wird Wasser nach oben gepumpt. Bei Bedarf wird es dann abgelassen, um die Turbinen anzutreiben.

Minus: In Deutschland ist das Potential der Wasserkraft so gut wie ausgeschöpft. Fast jeder Fluss hat ein Kraftwerk, ebenso fast jeder See. Im Ausland wiederum ist die Wasserkraft zum Teil in Verruf geraten: Riesenprojekte wie der Jangtse-Staudamm in China zerstören die Natur in großem Stil.
Wind
Plus: Von allen erneuerbaren Energien ist die Windkraft in den vergangenen Jahren am stärksten gewachsen. Mittlerweile beziehen die Deutschen deutlich mehr Strom aus Windrädern als aus Wasserkraftwerken. Auch in Zukunft hat die Branche großes Wachstumspotential - vor allem offshore, also in Windparks auf dem Meer . Ein weiterer Vorteil: Die Windkraft ist verhältnismäßig günstig. Die Betreiber der Anlagen bekommen über das Erneuerbare-Energien-Gesetz nur wenig mehr Förderung als der Preis für konventionellen Strom an der Energiebörse hoch ist. Zum Vergleich: Solarstrom wird weit höher vergütet.

Minus: Kritiker halten Windräder für eine Verschandelung der Landschaft. Außerdem weht der Wind sehr unzuverlässig: Bei einer starken Brise wird das deutsche Stromnetz überlastet, bei Flaute muss Strom aus dem Ausland hinzugekauft werden. Praktikable Speicher für Windenergie gibt es bisher nicht. Ein weiterer Nachteil: Starker Wind bläst vor allem in Norddeutschland, die großen Verbrauchszentren liegen aber im Süden und Westen. Um den Strom abzutransportieren, sind zahlreiche neue Leitungen nötig .
Sonne
Plus: Die Sonne ist nach menschlichen Maßstäben eine ewige Energiequelle , und sie scheint für jeden umsonst. Hätten alle Dächer Deutschlands eine Solaranlage, könnte so ein großer Teil des hiesigen Strombedarfs gedeckt werden - klimaschonend und unabhängig von Importen. Darüber hinaus lässt sich das Sonnenlicht auch zur Warmwasserbereitung nutzen: Mit Solarkollektoren kann man herkömmliche Heizungen ergänzen und so die Energiekosten drücken.

Minus: Die Sonne hat den gleichen Nachteil wie der Wind - ihre Energie lässt sich nicht zu jeder Uhrzeit nutzen. Das größte Problem ist jedoch der Preis: Solarstrom kostet viel mehr als konventioneller Strom. Und trotz milliardenschwerer Subventionen leistet Sonnenenergie bislang nur einen geringen Beitrag zur deutschen Stromversorgung: Schätzungen schwanken zwischen einem um zwei Prozent. Damit die Photovoltaik in Mitteleuropa wettbewerbsfähig wird, müsste es eine technische Revolution geben - oder die Preise für konventionelle Energie müssten dramatisch steigen.
Biomasse
Plus: Holz, Stroh, Mais - beim Verbrennen dieser Stoffe wird nur so viel CO2 freigesetzt, wie die Pflanzen vorher der Atmosphäre entzogen haben. Biomasse lässt sich in vielen Bereichen einsetzen: zum Heizen (beispielsweise mit Holzpellets), zum Autofahren (mit Biodiesel oder Bioethanol ) oder zur Stromerzeugung (mit Biogas). Der große Vorteil: Biomasse ist gespeicherte Energie. Man kann also frei entscheiden, wann man sie nutzen möchte - anders als bei Wind- oder Solarkraft. Ein weiterer Pluspunkt: Energiepflanzen, die in Deutschland wachsen, reduzieren die Abhängigkeit von Importen.

Minus: In jüngster Zeit gerät die Bioenergie massiv in die Kritik. Denn die Pflanzen benötigen enorme Anbauflächen - und treten damit in direkte Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. Gerade bei Biotreibstoffen wird das zum Problem: Lässt es sich moralisch rechtfertigen, dass die Reichen Mais tanken - während die Armen hungern? Hinzu kommt ein gigantisches Mengenproblem: Wollte Deutschland seinen gesamten Benzin- und Dieselbedarf mit Biokraftstoffen decken, wäre dafür eine Fläche nötig, die größer ist als die gesamte Bundesrepublik. Das Gleiche gilt fürs Heizen: Sollten alle Bundesbürger auf Holzpellets umsteigen, würde der deutsche Wald dafür nicht reichen - erneut wären Energie-Importe nötig.
Erdwärme
Plus: Die Wärme im Erdinneren steht rund um die Uhr zur Verfügung. Sie lässt sich sowohl zum Heizen als auch zur Stromerzeugung nutzen. Gäbe es keine Probleme mit der Bohrtechnik, könnte die Geothermie den gesamten deutschen Energiebedarf decken.

Minus: In Deutschland muss man Hunderte oder gar Tausende Meter tief bohren, um ein ausreichendes Temperaturniveau zu erreichen. Die Kosten der Geothermie sind deshalb sehr hoch. Mancherorts gibt es außerdem Probleme mit dem Grundwasser. Andere Länder sind hier aus geologischen Gründen in einer besseren Position: Island zum Beispiel deckt seinen Energiebedarf zum Großteil mit der Wärme aus dem Erdinneren.

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