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Frühjahrsputz in der Mobilität

Flusszellen-Tanken für E-Autos, unsaubere Schwefel-Schrubber für riesige Schiffe

von Annegret Handel-Kempf

Der monetäre Antrieb, umweltfreundliche Mobilität zu forcieren, hat nachgelassen. Erdöl ist zu billig geworden. Auch durch Fracking, das den natürlichen Lebensgrundlagen besonders schadet. Doch die Forschung macht Hoffnung auf nachhaltige Elektromobilität für alle. Energie sollen künftig auch die Flusszellentechnologie bzw. Redox-Flow-Batterien in emissionsfreien Autos liefern. In den Meeren setzen indes riesige Transport- und Kreuzfahrtschiffe den Ökosystemen zu.

Den Studienergebnissen des Energie-Experten Joachim Nitsch zufolge, die der Bundesverband für Erneuerbare Energien (BEE) veröffentlichte, werden die Bemühungen der Bundesregierung beim Klimaschutz den jüngsten Beschlüssen des Klimaschutzgipfels von Paris bei weitem nicht gerecht. Wenn es weitergeht wie bisher, dann könne Deutschland seine Treibhausgasemissionen bis 2020 nur um 32 Prozent gegenüber 1990 mindern und wird damit sein Reduktionsziel von 40 Prozent deutlich verfehlen. Außerdem würde Deutschland bis 2050 nur eine Treibhausgasminderung von 58 Prozent statt der erforderlichen 95 Prozent erreichen.

Fazit des Ingenieurwissenschaftlers, der an den Leitstudien des Bundesumweltministeriums zur Energiewende einst maßgeblich mitgewirkt hat: „Verstärkt sich die Umbaudynamik im gesamten Energiesektor nicht erheblich, würden die fossilen Energieträger auch noch zur Jahrhundertmitte mit 70 bis 75 Prozent Anteil das Energiesystem dominieren.“

Siehe Flusszellen. Sie wurden seit den 1950er-Jahren vor allem hinsichtlich ihres Einsatzes im Bereich Grid Energy Storage erforscht und genutzt. Das heißt, aufgrund ihrer Energiedichte galten sie als nicht geeignet für die direkte Verwendung in elektromobilen Antrieben und dienten lediglich als Speicherlösungen zum Aufladen von Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen.

Für die Umwelt von hohem Wert sind die 2014 von der Harvard Universität vorgestellte Flusszellen auf Basis von wasserlöslichen, organischen Chinonen, die ohne Einsatz seltener und damit vergleichsweise teurer Substanzen auskommt, sowie die 2015 von der Jenaer Universität vorgestellte Redox-Flow-Batterie auf Polymer-Basis, die ebenfalls eine wässrige Kochsalzlösung anstatt Säuren verwendet und dadurch gleichsam auf den Einsatz giftiger und teurer Metalle verzichten kann. Aufgrund ihrer Energiedichte taugen auch diese beiden aber nur als Energiespeicher für große Windkraft- und Solaranlagen.

Doch die ausschließliche Konzentration auf stationäre Entwicklungen hat sich jüngst und rechtzeitig geändert, bevor der E-Mobilität aufgrund eventuell begrenzter Material-Ressourcen bei Lithium-Ionen-Batterien frühzeitig der Wind aus den Segeln genommen wird. In ihrer im Februar veröffentlichten Studie zum Thema „Global Flow Battery Market 2016-2020" kommen die Analysten der TechNavio-Infiniti Research Ltd zu dem Ergebnis, dass Fluss-Batterien die bedeutendsten Sekundärenergiequelle der Zukunft sein werden.

Das Umwälzende - Künftig sollen die Flusszellen mitfahren: Die GE Global Research gemeinsam mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory, sowie das Illinois Institute of Technology in Kooperation mit dem Argonne National Lab und das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie, aber auch die nanoFlowcell AG forschen derzeit an Flusszellentechnologien zum mobilen Einsatz in Elektrofahrzeugen. Geladen und entladen werden die Batterien durch chemische Reaktionen zwischen den flüssigen Elektrolyten.

GE Global Research nennt für seinen kooperativ entwickelten Flusszellenantrieb eine Reichweite von 400 Kilometern und Kosteneinsparungen von bis zu 75 Prozent, verglichen mit aktuellen Elektroantrieben. Bekannt ist, dass die Flusszelle von GE eine wasserbasierte Lösung von anorganischen Chemikalien nutzt. Das Illinois Institute of Technology und das Argonne National Laboratory erwarten von ihrem „Nanoelectrofuels“-Flusszellenantrieb eine Reichweite von 800 Kilometern bei einer errechneten Energiedichte von 600 Wh/kg.

Die nanoFlowcellAG, ein Forschungs- und Entwicklungsunternehmen aus Lichtenstein, hat für einen leistungsstarken Antrieb die Flusszellentechnologie zu einer fünfmal höheren Leistungsdichte als herkömmliche Flusszellentechnologien weiterentwickelt. Das patentierte nanoFlowcell® speichert elektrochemische Energie und wandelt diese in Elektrizität um. Die neuen Systeme zur umweltfreundlichen Energieversorgung und Energiespeicherung sind nach eigenen Angaben von nanoFlowcell sicher in der Handhabung, nicht brennbar, nicht explosiv, sowie gesundheitlich und ökologisch unbedenklich. Weitere Vorteile neben der thermischen Sicherheit seien hohe Effizienz, niedrige Kosten sowie bauliche Flexibilität.
In die Entwicklung flossen die technischen Eigenschaften von Nanofluiden und Flusszellen ein. Die Energiedichte des daraus entstanden Energiespeichers entspricht nach Unternehmensangaben der modernster Lithium-Ionenbatterien. Er soll in seiner Anwendung aber sicherer, umweltverträglicher und komfortabler sein.

Ionische Flüssigkeiten aus der Zapfsäule

Die nanoFlowcell®-angetriebenen Elektrofahrzeuge sind auf keine spezielle Ladeinfrastruktur angewiesen, noch sind lange Batterie-Ladezeiten erforderlich. Die verbrauchten bi-ION Elektrolytflüssigkeiten werden nachgetankt. Das Tanken der ionischen Flüssigkeit unterscheidet sich kaum von einem üblichen Tankvorgang bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, nur dass hier zwei Flüssigkeiten gleichzeitig in zwei getrennte Tanks im Fahrzeug getankt werden.
Der Strom kommt quasi aus der nanoFlowcell®, statt aus der Steckdose.

Da die bi-ION Elektrolytflüssigkeiten nicht toxisch und thermisch stabil sind, werden keine besonderen Anforderungen an Transport und Lagerung gestellt. bi-ION Elektrolytflüssigkeiten könnten beispielsweise über das bestehende Tankstellennetz weltweit angeboten werden. Die bi-ION Elektrolytflüssigkeiten sollen dabei nach eigenen Angaben kostengünstig in der Herstellung, sowie frei von giftigen Stoffen und seltenen Materialien sein.

2014 präsentierte das Unternehmen das erste voll funktionsfähige Elektrofahrzeug mit Flusszellenantrieb. Beispielsweise der QUANTiNO, der kürzlich die Straßen-Zulassung für Europa bekam, soll Reichweiten von über 1000 Kilometern mit einer Tankfüllung im Alltagsverkehr realisieren. Bisher stellte es ein Problem dar, eine Batterie zu entwickeln, die mit einer Ladung ein E-Auto ohne Stopp von München nach Stuttgart antreibt – besonders bei Minustemperaturen, die die Ausdauer batteriebetriebener Autos stark schwächen, wie auch der ADAC in Tests festgestellt hat.

„Obschon großes Interesse seitens der Industrie besteht, hat die Lizenzvermarktung unserer Erfindung noch nicht begonnen“, sagte Ralf Kaiser von der nanoFlowcell-Pressestelle auf Nachfrage. In einem ersten Dauertest machte nanoFlowcell®-Erfinder und Chief Technology Officer der AG, Nunzio La Vecchia tatsächlich schneller schlapp als sein E-Auto. Er fuhr dabei den QUANTiNO mit nanoFlowcell®-Antrieb 14 Stunden ohne Zwischenstopp. Der Durchschnittverbrauch des rein elektrisch betriebenen Autos betrug dabei rund zwölf bis 14 kWh pro 100 Kilometer. Als La Vecchia nach 14 Stunden und drei Minuten die Fahrt aus Erschöpfung unterbrechen musste, waren die beiden 159 Liter fassenden Elektrolyte-Tanks in seinem QUANTiNO noch zu 78 Prozent gefüllt.

Verfehltes „Green Shipping“: Schwefeldioxid landet in den Meeren

Doch nicht nur Autos müssen Emissionen sparen: Der Umweltschutz in der Seeschifffahrt, international oft als „Green Shipping“ bezeichnet, wird immer wichtiger. Zumal schwere Krankheiten sowie „saurer Regen“ - auch im Binnenland – in wissenschaftlichen Studien mit den massiven Schiffstreibstoff-Emissionen in Zusammenhang gebracht werden. Die freien Weltmeere, außerhalb von Sonderzonen, wurden lange Zeit als „Schwefelsenken“ mit gravierenden Folgen für die Meeres- und Binnen-Ökologie missbraucht. Stark belastete Emissionen aus „Raffinerie-Restöl“ wirkten sich zudem negativ auf Wetterlagen und Klima aus. Vergangenes Jahr trat ein neues Gesetz zur Einhaltung der Grenzwerte von Schwefel und Schwefeloxiden in SECA-Seefahrtsgebieten in Kraft (SECA = Sulphur Emission Control Area). Seither gelten neue Grenzwerte für den Schwefelgehalt in Schiffsbrennstoffen, die durch die IMO (International Maritime Organisation – maritimes Gegenstück zur UN) festgelegt wurden.

Diese neue Low Sulphur-Gesetzgebung betrifft die Gebiete Nord- und Ostsee, den Ärmelkanal sowie die gesamte Küste Nordamerikas. In diesen sogenannten Emission Control Areas (ECA) müssen die Schiffe qualitativ höherwertigere Brennstoffe mit maximal 0,1% Schwefelgehalt verwenden (zuvor max. 1,0%).

International sind jenseits der SECA-Regionen in der Seeschifffahrt weiterhin bis zum Jahr 2020 ein Schwefelgehalt von 3,5 Prozent und die Nutzung von Schweröl erlaubt. Ab 2020 gilt weltweit ein Schwefelgrenzwert von max. 0,5 Prozent, in den SECAs weiterhin max. 0,1 Prozent.

Allein die 15 größten Schiffe der Welt stoßen laut Angaben vom Naturschutzbund Deutschland (NABU) ohne Umstieg pro Jahr so viele Schadstoffe (Schwefeldioxid) aus wie 750 Millionen Autos Vergleichsweise „sauberer“ Schiffsdiesel kostet mindestens 50 Prozent mehr als die zuvor für große Schiffe seit der zweiten Ölkrise verwendeten, stark schwefelbelasteten Brennstoffe. Ein schnell fahrendes Kreuzfahrt- oder Containerschiff verbraucht um die 300 Tonnen Brennstoff täglich.

Zur Emissionsreduktion sind auch Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung erlaubt. Doch Advanced Emissions Purification (AEP)-Systeme – Abgasreinigungs-Systeme, besser bekannt als „Scrubber“ – sind nur ein Verschieben der Umweltproblematik von der Luft ins Wasser. Das globale Kreuzfahrtunternehmen Royal Caribbean Cruises Ltd. (RCL) beispielsweise hat angekündigt, 19 seiner Kreuzfahrtschiffe mit AEP-Systemen nachzurüsten.

Diese Scrubber erzielen die geforderte Emissionsreduktion, erzeugen jedoch Abwasser, das in die Meeresumwelt eingeleitet wird. Die verschiedenen Scrubber-Systeme (nass: offen/geschlossen, trocken) unterscheiden sich in ihrer Umweltwirkung durch Menge und Inhaltsstoffe der Abwässer. Beispielsweise „schrubben“ sie Abgase, indem ihnen große Mengen Sprühwasser zugeführt werden. Solches „Schrubben“ entfernt 97 Prozent der Schwefeldioxid-Emissionen; der Schwefel stört das Ökosystem dennoch massiv. Beispielsweise fallen bei der Trockenmethode große Mengen Kalkablagerungen an, die in den Häfen entsorgt werden müssen.

Dem Umweltbundesamt zufolge sind EU-Staaten-weite bzw. den IMO-Bereich umfassende Einleitungsbeschränkungen von Scrubber-Abwässern grundsätzlich am besten geeignet, um potenzielle Schäden aus dem Einsatz von Scrubbern abzuwenden.

Scheinlösungen helfen der empfindlichen Meeres-Ökologie und ihren Anrainern nicht. Höherwertiges Öl ist besser als Raffinerie-Restöl. Ideal wären regenerierbare Antriebsenergien aus Wind und Sonne, nicht nur für Autos, sondern auch für die Beförderung in Seen, auf Hoher See und in Flüssen.

Auch hier ist derzeit alles im Fluss: Die Forscher von nanoFlowcell wollen ihr Flusszellen-Patent mit weiteren Entwicklungen auch für Wasser und Luft nutzen.


2016-05-02, Annegret Handel-Kempf
Text: © Annegret Handel-Kempf
Foto + Foto-Banner: ©aph
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