Energietechnik: Kohle zu Strom
Der Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken liegt bei gut dreißig, in sehr modernen Anlagen bei etwa vierzig Prozent - mehr nicht. Reichlicher wäre die Ausbeute, könnte man Kohle in Brennstoffzellen verwerten, doch gibt es da einige technische Hürden. Nun stellen Forscher ein neues Modell vor, das allerdings noch nicht ganz praxistauglich ist.
Nach wie vor ist Kohle einer unserer wichtigsten Energieträger. Die weltweiten Kohlereserven sind sogar deutlich größer als Erdöl- und Erdgasvorkommen. Allerdings müsste es gelingen, die in der Kohle enthaltene Energie effizienter und umweltfreundlicher "herauszukitzeln" als in konventionellen Kraftwerken, um dies als Ansatz zur Lösung drängender Probleme unserer Zivilisation zu nutzen.
Normalerweise werden Brennstoffe wie Kohle, Erdöl oder Erdgas mit Luftsauerstoff verbrannt. Dabei wird Energie in Form von Wärme frei, mit der Wasser verdampft wird. In einer Turbine expandiert der Dampf, und es entsteht Druck, der einen Generator antreibt (mechanische Energie). Der Generator erzeugt Strom, also Elektronen, die durch eine elektrische Leitung sausen. In einer elektrochemischen Zelle dagegen können die Elektronen direkt aus der chemischen Reaktion "abgezapft" werden, ohne dass der Brennstoff verbrannt werden muss – ein wesentlich saubererer Prozess.
Bisherige Brennstoffzellen-Entwicklungen arbeiten mit Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden muss, Methanol oder Methan. Aber Kohle als Futter für eine Brennstoffzelle? Die Versuche, Strom ohne Verbrennung aus Kohle zu gewinnen, reichen lange zurück, waren bisher jedoch nicht sehr erfolgreich – die elektrochemische Oxidation von Kohle läuft bei gut handhabbaren Temperaturen einfach zu langsam. Hochtemperatur-Zellen könnten ein Lösungsansatz sein, haben allerdings mit einer Reihe schwer wiegender technischer Probleme zu kämpfen.
George Whitesides von der Harvard-Universität und sein Team haben nun ein Modell einer mit Kohle betriebenen Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle entwickelt, indem sie nutzten, dass bestimmte Metalle Kohle leicht oxidieren können. Die Forscher schlämmten Kohlepulver in Schwefelsäure auf und gaben dreifach positiv geladene Eisen-Ionen zu. Die Eisen-Ionen reagieren mit der Kohle, dabei entstehen Kohlendioxid und eine reduzierte Form der Eisen-Ionen. Diese, jetzt nur noch zweifach geladen, geben ihr zusätzliches Elektron über eine Elektrode, die Anode, an den Stromkreis ab und stehen dann wieder zur Verfügung. Fertig ist die anodische Halbzelle einer prototypischen Kohle-Brennstoffzelle. Ein lösliches System, das auf Vanadium-Ionen basiert, diente den Forschern als zugehörige kathodische Halbzelle. Bei 100 Grad Celsius lieferte dieser Prototyp tausend Stunden lang Strom ohne einen Leistungsabfall.
"Auch wenn unsere Brennstoffzelle nicht praxistauglich ist, so hat dieses Modell doch den Beweis erbracht, dass sich Kohle prinzipiell bereits bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur, nämlich der von kochendem Wasser, direkt verstromen lässt", erklärt Whitesides. "Das ist ein erster kleiner Schritt in Richtung einer praxistauglichen Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle."
Normalerweise werden Brennstoffe wie Kohle, Erdöl oder Erdgas mit Luftsauerstoff verbrannt. Dabei wird Energie in Form von Wärme frei, mit der Wasser verdampft wird. In einer Turbine expandiert der Dampf, und es entsteht Druck, der einen Generator antreibt (mechanische Energie). Der Generator erzeugt Strom, also Elektronen, die durch eine elektrische Leitung sausen. In einer elektrochemischen Zelle dagegen können die Elektronen direkt aus der chemischen Reaktion "abgezapft" werden, ohne dass der Brennstoff verbrannt werden muss – ein wesentlich saubererer Prozess.
Bisherige Brennstoffzellen-Entwicklungen arbeiten mit Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden muss, Methanol oder Methan. Aber Kohle als Futter für eine Brennstoffzelle? Die Versuche, Strom ohne Verbrennung aus Kohle zu gewinnen, reichen lange zurück, waren bisher jedoch nicht sehr erfolgreich – die elektrochemische Oxidation von Kohle läuft bei gut handhabbaren Temperaturen einfach zu langsam. Hochtemperatur-Zellen könnten ein Lösungsansatz sein, haben allerdings mit einer Reihe schwer wiegender technischer Probleme zu kämpfen.
George Whitesides von der Harvard-Universität und sein Team haben nun ein Modell einer mit Kohle betriebenen Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle entwickelt, indem sie nutzten, dass bestimmte Metalle Kohle leicht oxidieren können. Die Forscher schlämmten Kohlepulver in Schwefelsäure auf und gaben dreifach positiv geladene Eisen-Ionen zu. Die Eisen-Ionen reagieren mit der Kohle, dabei entstehen Kohlendioxid und eine reduzierte Form der Eisen-Ionen. Diese, jetzt nur noch zweifach geladen, geben ihr zusätzliches Elektron über eine Elektrode, die Anode, an den Stromkreis ab und stehen dann wieder zur Verfügung. Fertig ist die anodische Halbzelle einer prototypischen Kohle-Brennstoffzelle. Ein lösliches System, das auf Vanadium-Ionen basiert, diente den Forschern als zugehörige kathodische Halbzelle. Bei 100 Grad Celsius lieferte dieser Prototyp tausend Stunden lang Strom ohne einen Leistungsabfall.
"Auch wenn unsere Brennstoffzelle nicht praxistauglich ist, so hat dieses Modell doch den Beweis erbracht, dass sich Kohle prinzipiell bereits bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur, nämlich der von kochendem Wasser, direkt verstromen lässt", erklärt Whitesides. "Das ist ein erster kleiner Schritt in Richtung einer praxistauglichen Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle."
© Angewandte Chemie
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.