Andere Enabling-Technologien
Die verschiedenen erneuerbaren Energiequellen erfordern einen Innovationssprung bei der Energiespeicherung und anderen Enabling-Technologien, die zur Energiewende beitragen, unter anderem durch den Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage. Zu diesen Enabling-Technologien zählt die Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff, der zur Speicherung der chemischen Energie oder als alternativer Brennstoff genutzt werden kann, sowie Technologien zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid. Kohlendioxid kann durch physikalische oder chemische Verfahren abgeschieden werden und wird dann in der Regel unterirdisch gelagert.
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- Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung
Laut dem von der Internationalen Organisation für Erneuerbare Energien (IRENA) herausgegebenen Fahrplan zum 1,5°C-Ziel werden Wasserstoff und Derivate bis 2050 einen Anteil von 12 % am Energieverbrauch haben müssen. Grüner Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energien wird voraussichtlich gleichzeitig eine wichtige strategische Energiequelle und ein Speichermedium sein.
Mehrere Länder haben bereits im Rahmen von nationalen Wasserstoffstrategien Ziele für die Elektrolyseurkapazität festgelegt. Elektrolyseure würden in der Zukunft idealerweise aus billigen und reichlich vorhandenen Rohstoffen gebaut und mit erneuerbarem Strom betrieben. Laut einer aktuellen gemeinsamen Studie von EPA und IRENA zu Innovationstrends bei Elektrolyseuren zur Wasserstofferzeugung können die Investitionskosten für Elektrolyseuranlagen durch eine verbesserte Planung und Konstruktion, Skaleneffekte, die Ersetzung von knappen Materialien durch reichlich vorhandene Metalle und eine gesteigerte betriebliche Effizienz und Flexibilität kurzfristig um 40 % und langfristig um 80 % gesenkt werden. Dies würde dabei helfen, die weltweite Elektrolyseurkapazität von derzeit 0,5 GW auf die von der IRENA in ihrem Fahrplan zum 1,5°C-Ziel vorgeschlagenen 5 000 GW bis 2050 zu erhöhen.
Fünf Hauptgruppen von Teiltechnologien sind für die Senkung der Kosten der Elektrolyse von Bedeutung: [1] :
Betriebsbedingungen und Struktur der Zellen
Der Betrieb von Elektrolysezellen bei höherer Temperatur und unter höherem Druck erhöht die Effizienz der Elektrolyse, ohne die Lebensdauer zu beeinträchtigen, und senkt gleichzeitig die Kosten. Elektrolyseure müssen darauf ausgelegt sein, diesen Betriebsbedingungen standzuhalten.
Hochtemperaturbedingungen in Elektrolysezellen - vollständige trefferliste
Hochdruckbedingungen in Elektrolysezellen
Ein zentrales Element zur Optimierung der Zelleffizienz ist die Kontaktfläche zwischen der Membran und der Elektrode, die den elektrischen Widerstand und die Wärmeentwicklung reduziert:
Membran-Elektroden-Einheiten (MEA)
Materialien für Elektrokatalysatoren
Die Knappheit von Materialien, insbesondere von Edelmetallen, stellt ein großes Hindernis für die Senkung der Kosten von Elektrolyseuren und die Ausweitung der Produktion dar. Alternativen sind erforderlich, bei denen beispielsweise unedle Materialien zum Einsatz kommen. Die Entwicklungen umfassen Edelmetalle (einschließlich Oxiden), unedle Metalle, Legierungen und Keramik sowie organische, diamantene und nicht diamantene Materialien
Die folgenden Suchbegriffe umfassen Elektroden mit Katalysatormaterialien auf Grundlage von:
Unedlen Metallen und Legierungen
Keramik (ohne Edelmetallanteil)
Organischen Verbindungen
Katalysatoren auf Diamantbasis - vollständige trefferliste
Stapelbarkeit von Elektrolyseuren (Stacks)
Elektroden, Bipolarplatten und poröse Transportschichten können einen erheblichen Anteil an den Kosten von Stacks haben. Verbesserungen bei diesen Komponenten, unter anderem bei ihrer Herstellung, können dazu beitragen, die Kapitalkosten zu senken und die Skalierbarkeit zu erhöhen. Während bipolare Elemente, die Stacks enthalten, nach wie vor der wichtigste Entwicklungsbereich sind, ist die optimale Kombination dieser Elemente mit den Membran-Elektroden-Einheiten von entscheidender Bedeutung:
Photoelektrolyse
Die Photoelektrolyse mit Solarzellen als Energiequelle kann Strom- und Wasserstofferzeugung in einem einzigen Element vereinen, was potenziell eine höhere Effizienz ermöglicht. Auch wenn sich die Technologie noch in einem frühen Reife- und Prozessoptimierungsstadium befindet, gib es unter anderen die folgenden vielversprechenden Entwicklungen:
Photoelektroden mit Photoabsorber und Photo-Elektrokatalysator - vollständige trefferliste
Photoelektroden mit einschichtigem Photo-Elektrokatalysator - vollständige trefferliste
Co-Elektrolyse
Bei der Elektrolyse von Wasser allein entsteht Wasserstoff, der schwer zu speichern ist. Ein neuer Entwicklungsbereich ist die Co-Elektrolyse, bei der Wasserstoff in einer besser lagerbaren Verbindung erzeugt wird. Beispiele hierfür sind stickstoffhaltige Verbindungen wie Ammoniak (siehe unten) und andere wie Synthesegas (CO/H2) und die Herstellung organischer Brennstoffe (Methan, Alkohole).
Co-Elektrolyse zur Herstellung von Ammoniak - vollständige trefferliste
[1] IRENA (2020), Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5⁰C Climate Goal, Internationale Organisation für Erneuerbare Energien, Abu Dhabi.
- Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS)
Auch wenn künftig möglichst der gesamte Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne und Wasserkraft gedeckt werden soll, ist der Übergang zu diesen Energiequellen nicht immer schnell umsetzbar. Eine Möglichkeit, den Klimawandel bis dahin aufzuhalten, ist die Abscheidung von CO2 (Kohlendioxid) aus stark emittierenden Prozessen (z. B. fossil befeuerte Kraftwerke und Schwerindustrie) oder sogar direkt aus der Luft (Direct Air Capture) und die anschließende Speicherung, in der Regel untertage oder unter dem Meer. Das abgeschiedene CO2 soll entweder dort verbleiben (physisch eingeschlossen oder chemisch gespeichert) oder künftig für bestimmte Industrieprozesse verwendet werden.
CO2-Abscheidung
Abhängig von seinen chemischen oder physikalischen Eigenschaften gibt es verschiedene Möglichkeiten, CO2 aus Gasen abzuscheiden. Für Direktabscheidung aus der Luft erscheinen Sorptionstechniken besser geeignet. Aufgrund der geringen CO2-Konzentration in der Luft müssen dazu sehr große Luftvolumina behandelt werden. Daher sind Techniken mit niedrigen Temperaturen oder hohen Drücken weniger gut geeignet, da sie auch mehr Energie verbrauchen. Folgenden Techniken werden hauptsächlich für die Abscheidung von CO2 eingesetzt:
Absorption mit flüssigen Lösungsmitteln
Absorption mit festen Lösungsmitteln
Biologische Abscheidung
Kryogene Abscheidung
Membran-Abscheidung
Chemische Abscheidung / Direktabscheidung
CO2-Speicherung
Nach der Abscheidung muss das CO2 gespeichert werden, wofür in der Regel Orte wie ausgeschöpfte Öl- oder Gasfelder vorgesehen sind. Da sie bereits mehrere Erdzeitalter lang Öl und Gas fest eingeschlossen haben, gelten sie allgemein als sicher für diese Speicherzwecke. Oft ist dort bereits Infrastruktur für den Eintrag von CO2 vorhanden, da zur Druckhaltung in Ölfeldern ohnehin Gas eingebracht wird. Alternativ kann das CO2 auch zur Reaktion mit bestimmten Mineralablagerungen gebracht werden, um kohlenstoffhaltige Minerale wie mafisches oder ultramafisches Gestein (Olivin, Peridotit usw.) zu bilden. In diesem Datensatz konzentrieren wir uns auf Anmeldungen, die sich nicht mit Druckhaltung sondern mit einer tatsächlichen Speicherung befassen.
Speicherung von CO2 untertage oder unter Wasser
