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Web Log Teil 557: 10.6.2019 - 14.6.2019

10.6.2019: Das Deorbitieren der ISS mit der Orion

Wenn man die ISS einmal deorbitieren will, ist das nicht so einfach. Sie wiegt 420 t und unkontrolliert will man sie nicht verglühen lassen. Kontrolliert eine so große Masse zu deorbitieren, ist aber nicht ganz einfach. Es ist erst mal eine Frage der Treibstoffmenge. Wenn man von eine 400 km hohen Kreisbahn ausgeht und diese Bahn auf eine 120 x 400 km Bahn absenken will, muss man die Geschwindigkeit um 82 m/s ändern. 120 km dürften das Minimum sein, ab da bremst die Atmosphäre die Station so schnell ab, das sie verglüht. Mehr Kontrolle über den Punkt wo die Trümmer niedergehen wäre ein Perigäum in 80 km Höhe, wie es zumindest vor einigen Jahren mal geplant war, ein ATV hat deswegen seinen Wiedereintritt auf diesen Punkt ausgerichtet, um dies schon zu simulieren. Leider ging der Datenrekorder, der dies aufzeichnen sollte, verloren. Für ein Perigäum in 80 km Höhe benötigt man schon 94 m/s Abbremsung. Je niedriger es ist desto mehr braucht man, das ist logisch, desto steiler ist aber auch der Eintritt und desto kleiner der Streifen, auf dem die Trümmer niedergehen.

Bei einer so großen Masse und wenig Geschwindigkeitsbedarf kann man die Treibstoffmenge ohne größeren Fehler über Dreisatz berechnen:

Das zweite ist der Schub. Ist die Betriebszeit des Antriebs zu lange, so sinkt auch das Apogäum ab. Das hat zwei unangenehme Folgen: Der Treibstoffverbrauch steigt an und die Bahn führt über einen Großteil des Orbits in niedriger Höhe über die Erde, wo die Station dann laufend abgebremst wird, wodurch sich der Impaktpunkt verschiebt und die Fläche größer wird. Die NASA rechnet bei einem regulären Eintritt schon mit einem Streifen von 6.000 km Länge und bei einem Notdeorbit mit 12.000 km Länge. Bisher waren alle ISS-Zubringer zu schubschwach, logisch ihr Antriebssystem war ja auch nur für die Geschwindigkeitsänderung eines 7 bis 20 t schweren Raumschiffs ausgelegt – 20 bis 60 mal weniger, als die ISS wiegt.

Glücklicherweise hat das Orion Servicemodul mit den OMS Triebwerk und 26,7 kN Schub genügend Schub für die Aufgabe. Ein Problem ist allerdings das Servicemodul eine Treibstoffzuladung von 8976 kg (Startmasse 15461 kg, Trockenmasse: 6485 kg). Deutlich weniger als die obige Schätzung von 13,2 t. Trotzdem will ich in diesem Blog die Möglichkeit untersuchen die ISS-Deorbitierung mit der Orion durchzuführen. Es gibt dazu einen wichtigen Punkt: Es ist immer noch offen, wie die ESA-Beteillgung an den Unterhaltskosten der ISS ab 2020 aussehen soll. Ohne Kompensationslieferungen müsste die ESA sonst 150 Millionen Euro pro Jahr bezahlen. Andererseits hat die NASA 950 Millionen Dollar für das Deorbitieren der ISS veranschlagt, das wären genauso viel wie 5 ½ Jahre Beteiligung der ESA.

Das Grundszenario ist Folgendes: Die ISS wird verlassen bis auf die letzte Teilcrew (die Crew besteht derzeit aus zwei Expeditions). Dann koppelt eine Orion oder ein aus der Orion abgeleitetes Gefährt an, ist die Orion bemannt, so kehrt die Besatzung nun mit dem kommerziellen Transporter der letzten Crew zurück. Die Crew-Versorger können bis zu sieben Astronauten befördern, normal sind allerdings vier. Denkbar wäre in jedem das Fall Orioncrew und letzte Crew nur zwei Personen stark sind, dann reichen die vier Sitzplätze aus.

Es gibt nun eine Reihe von Möglichkeiten:

Fazit

Vier Szenarien, vier Möglichkeiten. Alle mit Vor- und Nachteilen. Für die NASA vorteilhaft: ihr Anteil besteht maximal in einer Orionkapsel und einem Start. Russland würde maximal drei Progress starten. Der ESA Anteil ist stark schwankend von relativ gut bezifferbaren Kosten für ein Servicemodul und einen Ariane 6 Start und schwer einzuschätzenden für Umbauten dieses. Basierend auf dem was man heute zur Verfügung hat würde ich die Stationsvorräte zuerst auffüllen und dann mit diesen die Bahn absenken, dann mit einer normalen Orion das Deorbiting durchführen.

Wenn man wirklich ein Mondprogramm angeht, wird man aber sowieso ein größeres Servicemodul benötigen. Dann wäre der Start einer vergrößerter Orion durch eine US-Rakete die bessere Lösung.

Das Absinkenlassen halte ich für riskant, Umbauten ohne die Kapsel und Vergrößerung des Servicemoduls kämen praktisch einer Neukonstruktion eines ATV gleich und wären entsprechend teuer.

Außer der Reihe: Die ESA kann auch so Kosten sparen

Ein Punkt weshalb ich auf dieses Szenario gekommen bin war ja, dass ich damit die offene ESA-Beteilligung der nächsten Jahre decken kann. Zudem wird die Orion öfters gebaut, was diese auch billiger macht. Bisher ist ja nur ein Einsatz alle zwei Jahre vorgesehen.

Nun gibt es aber auch so Neuigkeiten. Die NASA hat gerade einen Kommerzialisierungsplan verabschiedet. Er muss den Partnern wie eine Ohrfeige vorkommen: 35.000 Dollar pro Tag, zwei Astronauten pro Jahr, 30 Tage pro Astronaut, Flug extra zu bezahlen. Nimmt man den Durchschnitt der letzten Jahre, so hat die NASA 1 Milliarde Dollar pro Jahr für die Fracht für vier Astronauten des westlichen Teils bezahlt, dazu kämen noch die HTV-Transporte. Mit Besatzung rechnet die NASA für die nächsten Jahre mit 1,8 Milliarden Dollar. Das sind alleine an Fracht 700.000 Dollar pro Tag – zwanzigmal mehr als sie von einem Kunden verlangt. Selbst wenn dieser nun 81,7 Millionen Dollar zusätzlich für einen Start mit einer Sojus bezahlen muss. (Vielleicht wird’s ja mit Starliner und Crewed Dragon billiger – gut möglich, da die NASA alle Sitze nicht ausnutzen will und so die Zusatzkosten minimal wären).

30 Tage sind zwar nicht 180 Tage, so lange ist die Regelaufenthaltsdauer derzeit (dürfte bei vier geplanten Crew-Missionen auf 90 Tage sinken), aber es gibt auch Vorteile: Die derzeitige Besatzung muss viel Sport treiben, um sich fit zu halten und dazu kommt die Zeit für die Arbeit an der Station selbst. So kommt die Besatzung im Mittel nur auf 10 bis 15 Stunden Arbeit an Experimenten pro Woche. Bei einem Gastastronauten fällt die Arbeit an der Station weg und Sport um einen körperlichen Verfall zu verhindern muss er bei einer Kurzzeitmission auch nicht machen. Das war wohl auch der Grund, warum er nur 30 Tage im Orbit ist – alleine wegen den hohen Startkosten wäre länger ja sinnvoller. Er könnte 48 Stunden pro Woche an Experimenten arbeiten – schon wären die 30 Tage äquivalent mit einer 120 Tage Normalmission.

Nur wären sie billiger: Die ESA bezahlt rund 150 Millionen Euro pro Jahr und bekommt dafür 90 Astronautentage pro Jahr. Für einen Gastastronauten wären es mit Start weniger als 74 Millionen Euro bei 120 Äquivalentarbeitstagen. Für das gleiche Budget könnte man also die 2,5-fache „Astronautenzeit“ bekommen.

Mich würde interessieren, inwieweit dieser die internationalen Partner sicher verstörende Vorschlag mit diesen abgesprochen ist. Rein rechtlich kann die NASA nur von ihrem Kontingent Zeit abgeben, das bedeutet, dass, wenn nun 60 Astronautentage hinzukommen, die JAXA weitere 10 und die ESA weitere 7 Tage erhalten müsste. Mein Vorschlag an die ESA: bewerbt euch mit euren Astronauten um diese zusätzlichen Plätze, sie können ja dann auch kommerzielle Experimente durchführen ...

13.6.2019: Lithium

Ein Schlüsselelement, auf das man immer wieder stößt, wenn man von der Klimawende redet ist Lithium. Den Grund dürfte wohl jeder Besitzer eines Gerätes mit einem Akku wissen: Lithium steckt in verschiedenen Verbindungen aus denen Akkus aufgebaut werden, egal ob Lithiumphosphat-Batterien, Lithiumionenakkus oder Lithiumpoymerakkus. Zeit mal meinen Senf als Chemiker dazuzugeben.

Fangen wir mit der Chemie an. Lithium ist das leichteste Element der Alkaligruppe und es reagiert im Prinzip wie alle Elemente der Gruppe. Der eine oder andere wird wahrscheinlich Natrium im Schulunterricht kennengelernt haben. Es ist das nächsthöhere Element der Alkaligruppe. Natrium ist ein weiches, mit dem Messer schneidbares Metall, es wird unter Petroleum aufbewahrt. Nimmt man es heraus, so entzündet sich Natrium an der Luft. Ebenso reagiert es heftig mit Wasser und sogar Alkohol. Das zeigt das allgemeine Reaktionsverhalten von Alkalielementen. Ihre Eigenschaften kann man mit dem Schalenmodell gut erklären, auch wenn es eine starke physikalische Vereinfachung ist, reicht es dafür aus. Alkalimetalle haben in der äußersten Schale ein einzelnes Elektron. Sie sind die ersten Elemente jeder Periode, die eine neue Schale haben. Wenn sie nun dieses Elektton wieder loswerden würden, dann wäre alles okay. Die Schale wäre weg, die anderen Elektronen der Schale darunter fester gebunden, weil der Kern viel schwerer ist als beim letzten Element der Periode. Kurz: Alkalimetalle wollen unbedingt ihr Elektron verlieren das ist für sie der einfachste Weg wieder eine stabile Schalenkonfiguratioin zu erhalten. Sie sind daher so reaktionsfreudig das sie sogar den Wasserstoff aus dem Wasser verdrängen, um ihr Elektron an den Sauerstoff abzugeben und Wasser ist eigentlich recht stabil, um sonst den Wasserstoff freizusetzen, braucht man ziemlich viel Energie. Das klappt auch noch beim Alkohol, obwohl dieser eigentlich kein Oxidationsmittel ist, sondern meistens selbst oxidiert wird, z.B. kann er Kupferoxid zu Kupfer reduzieren. Nur die C-H Bindung in Alkanen ist zu wenig polar um sie zu spalten.

Lithium ist in im Periodensystem eine Periode vor dem Natrium. Daher reagiert es nicht ganz so schlimm wie Natrium, das wiederum harmlos gegenüber Kalium, Cäsium und Rubidium ist. Es ist sogar an trockener Luft stabil, reagiert aber genauso intensiv mit Wasser. Anders als Natrium ist es sogar in Legierungen einsetzbar wie der Lithium-Alumniumlegierung AL 2195.

Doch mit was reagiert Lithium bevorzugt? Eine einfache Regel der Chemie besagt, das ein Element, das sehr gerne seine Elektronen los werden, will eher reagiert mit Elementen, die gerne Elektronen aufnehmen. Das bedeutet: Im Periodensystem reagieren am ehesten die ersten Perioden mit den letzten Perioden. Alkalielemente gehen daher intensive Verbindungen mit Halogenen ein, aber auch Sauerstoff und Verbindungen, bei denen das Zentralatom durch viele Sauerstoffbindungen ebenfalls gerne Elektronen hätte, denn der Sauerstoff zieht Elektronen ab. Das sind z.B. die Schwefelsäure, Phosphorsäure und Kohlensäure.

Das bedeutet: typische Lithiumverbindungen wären Lithiumchlorid, Lithiumcarbonat und Lithiumphosphat. Auch hier fanden wir die Analogie zum Natrium: die wichtigsten Natriumverbindungen sind Natriumchlorid (Kochsalz), Natriumcarbonat (Soda) und Natriumphosphat. Alle diese Salze sind leicht wasserlöslich, auch das ist eine Gemeinsamkeit in der ganzen Gruppe.

Doch wie sieht es aus bei komplexeren Verbindungen? Damit sind die vielen anorganischen Mineralien gemeint, aus denen die Erdkruste besteht. Sie bestehen hauptsächlich aus hochmolekularen Silizium- und Aluminiumverbindungen, in die auch andere Elemente eingebaut werden können. Hier gibt es ein Problem: Dadurch das ein Alkalimetall seine äußerste Schale verliert, wenn es ein Elektron abgibt, ist das Atom sehr klein, verglichen mit anderen Elementen, zumal die meisten Metalle die in solchen Silikaten und Aluminiumverbindungen stecken aus den Nebengruppen stammen und dann noch einige Schalen mehr haben. Es passt räumlich so nicht gut in viele Kristalle hinein. Das ist auch beim Natrium so, praktisch das ganze Natrium, das es in der Erdkruste gibt, steckt in leicht löslichen Verbindungen und die wurden über Milliarden Jahre lang ins Meer gespült, sodass Meerwasser heute zu 3,5 % aus Natriumchlorid besteht.

Kalium ist dagegen so groß, das es von vielen Tonen gebunden und ins Kristallgitter oder in Hohlräumen eingebaut wird. Das führt auch dazu, das Pflanzen, die sich ja schlecht bewegen können, Kalium nutzen, um den Zelldruck zu regulieren oder osmotische Vorgänge zu initiieren, Tiere dagegen Natrium.

Bei Lithium ist die Situation ähnlich, aber es hat als erstes Element der Periode eine Sonderrolle. Die ist den Chemikern als „Schrägbeziehung“ bekannt. Das erste Element einer Periode verhält sich untypisch. Seine chemischen Eigenschaften ähneln mehr dem Element eine Gruppe rechts und eine Periode tiefer. Lithium ähnelt also ein bisschen Magnesium. Magnesium geht lieber Verbindungen mit Phosphaten, Karbonaten und Sulfaten ein, als mit Halogenen. Ebenso das Lithium. Ebenso gibt es einige komplexere Verbindungen, die Magnesium einbauen wie Spinelle. Das gleiche gilt für das Lithium. Der Großteil des Lithiums der Erdkruste steckt in solchen Erzen, nicht wie beim Natrium im Meerwasser.

Wie viel Lithium gibt es?

Ah zeit den Chemikerkittel mit dem Astronomiekäppi auszutauschen. Wie häufig die Elemente im Universum sind, hängt davon ab, wie sie entstehen. Wasserstoff und Helium entstanden beim Urknall. Lithium aber auch beim Urknall. Insgesamt gibt es um die Entstehung von Lithium noch viele Rätsel. Das Element wird in Sternen verbraucht, das heißt anders als die meisten anderen Elemente nimmt die Häufigkeit mit der Zeit ab. Auf der Sonne und in allen anderen Sternen ist in den äußeren Hüllen die man spektroskopisch untersuchen kann findet man viel weniger Lithium als in Gasnebeln oder Planeten. Trotzdem gibt es mehr Lithium im Universum als nur durch den Urknall entstanden sein kann und das Isotop Lithium-6 entsteht überhaupt nicht beim Urknall. Die ESO hat aber inzwischen Sterne entdeckt, die reich an Lithium sind, also Lithium erbrüten.

Trotzdem ist es kein Element, das regulär bei den Fusionsprozessen in Sternen erbrütet wird, auch nicht bei Supernovas erzeugt. Es ist also relativ selten, verglichen mit seinen Nachbarn Natrium oder Kalium. Erst recht wenn man die anderen Hauptgruppenelemente ansieht. Seine Häufigkeit ist in etwa so hoch wie bei einigen Nebengruppenelementen wie Blei, Kobalt, Kupfer, Zinn.

Geht uns dann das Lithium aus?

Diese Frage stellen sich angesichts des prognostizierten E-Mobnilitätsbooms viele. Klar ist: Der Bedarf durch Autos ist in keiner Weise mit dem zu vergleichen den Mengen an Lithium, die man bisher für Akkus von Handys oder Notebooks brauchte. Deren Kapazität wurde in Wattstunden angegeben, eine Batterie für ein Auto dagegen in Kilowattstunden. Heute wird Lithium aus Sole gewonnen. Sie entsteht, wenn ein Meer oder sonstiges salzhaltiges Gewässer austrocknet. Dann fallen die Salze nach ihrer Löslichkeit aus. Lithiumsalze sind am besten löslich, fallen also als Letztes aus bzw. werden durch Wasser als Erstes wieder aufgelöst. So gibt es entweder Ablagerungen von Lithiumsalzen oder es steckt in salzhaltigen Flüssigkeiten. Die Gewinnung ist trotzdem aufwendig, doch da der Preis durch die Nachfrage deutlich angestiegen ist – um den Faktor 7 in den letzten Jahren und heute Lithiumcarbonat 14 Dollar pro Kilogramm kostet, lohnt es sich. Nochmals teurer wird es das Metall aus den Verbindungen zu isolieren. Das geschieht durch Schmelzelektrolyse.

Insgesamt müssen wir uns aber über die Menge keine Sorgen machen. Es gibt rund 16 Millionen Tonnen förderfähige Vorkommen (gerechnet als Lithiumkarbonat). 2017 wurden 35.000 Tonnen weltweit gefördert, also 1/500-stel der Gesamtmenge. Bei Lithiumionenakkus macht das Lithium 1,67 % des Gewichts aus, das sind für einen Mittelklassewagen rund 10 kg bei 600 kg Batteriegewicht. Die 16 Millionen Tonnen reichen also rein theoretisch für 1,6 Mrd. Fahrzeuge. Aber schon wegen des Gewichts der Akkus sehe ich die Zukunft in kleinen Fahrzeugen mit kurzer Reichweite wie E.Go live mit einer 100 kg schweren Batterie anstatt 600 kg in einem Fahrzeug mit 400 km Reichweite. Dann kommt man auf über 9 Milliarden Batterien, das sollte mit Recycling, das nun ja auch mal angegangen wird (warum jetzt erst?), ausreichen.

Die Win-Win-Situation

Ich bin auf den heutigen Blog gekommen, weil ich die Sendung „Der wahre Preis der Elektroautos“ angesehen habe. Da wird neben der Umweltproblematik der Gewinnung von Lithium auch dessen Ökobilanz genannt. Ein elektrisch angetriebener Mittelklassewagen als Ersatz für einen Benziner hat eine miserable Ökobilanz. Er muss 114.000 km fahren, bis er in der Ökobilanz günstiger ist. Der kleine E.go mit 100 km Reichweite immer noch 25.000 km. Zweifel an den Zahlen habe ich nur bedingt, man mag die Zahlen diskutieren aber der höhere Energieaufwand schlägt sich ja auch in den viel höheren Anschaffungskosten nieder und 114.000 km Strecke entsprechen rund 10.000 l Benzin – und dessen Preis kosten heute auch Elektroautos mehr.

Was heute unwirtschaftlich ist, ist die scheinbar einfachste Gewinnung: aus dem Meerwasser. Dazu ist einfach im Meerwasser zu wenig Lithium pro Liter enthalten, im Mittel 180 ppb. Bevor man es aus dem Meerwasser gewinnen kann, muss man es konzentrieren um den Faktor 300 bis 700. Das ist nun ein Verfahren, das ich gut kenne, nur nutzt man bisher nicht die entstehende Sole, sondern das dabei entstehende salzfreie Wasser – Es ist die Meerwasserentsalzung. Es gibt dafür einige Verfahren für die Entsalzung, die gängigste ist die Umkehrosmose. Das Verfahren ist heute unwirtschaftlich, wenn man nur am Lithium interessiert ist. Doch was ist, wenn man das Abfallprodukt "salzfreies Wasser" nutzen kann? Meine Vision:

Entlang der Küsten von Arabien und Afrikas bis zum subtropischen Gürtel, wo heute Wüste ist, entstehen direkt an der Küste große Solaranlagen. Im Prinzip können sie auch woanders stehen, wenn man das Wasser ins Landesinnere pumpt. Die Solaranlagen liefern den Strom für die Anlage, die zuerst Umkehrosmose betreibt, dann die Gewinnung von Lithium aus Meerwasser. Das Abfallprodukt Wasser kann von der Bevölkerung genutzt werden, neben Trinkwasser bei den Mengen, von denen wir hier reden, reicht es auch für Landwirtschaft – die im Schatten der Panels auch leichter möglich ist. Um die 10 kg Lithium zu gewinnen die man für eine 600-kg-Autobatterie eines Mittelklassewagens braucht, fallen bei 180 ppb Anteil im Wasser 55.000 m³ Trinkwasser an. Das reicht für eine ganze Plantage. Es bleibt aber der Energiebedarf: Nach diesem Aufsatz braucht man rund 60.000 kwh um 1 kg Lithium zu gewinnen. Für die Batterie eines Mittelklassewagens sind das dann 600.000 kwh. Ein Test mit einigen Gebieten auf der arabsichen Halbinsel und am Mittelmeer ergab, das eine 1 kwp Anlage im Jahr rund 2000 kWh liefert. Eine 300 kwp Anlage liefert also pro Jahr nur das Lithium für eine Batterie, dafür benötigt man dann rund 1500 m² Fläche. Eine Anlage die jährlich nur 10 Millionen dieser Batterien produzieren würde, belegt dann eine Fläche von 15.000 km², das ist die Fläche von Thüringen oder Schleswig Holstein, die sich aber über Tausende von Kilometern Küste verteilen würde. Problematischer sind die Kosten. Wenn ich mal von einer Erfahrungskurve von 0,75 ausgehe und dem Preis, den hier eine 10 kwp Anlage kostet, liegt eine 300 kwp Anlage rund 130.000 €. 20 Jahre Betrieb gerechnet produziert sie 200 kg Lithium, die in Form von Lithiumphosphat heute 46.400 Dollar kosten, also rund 40.800 Euro. Das heißt, heute ist der Strom viel zu teuer.

Aber Lithium ist in den letzten Jahren um den Faktor 7 teurer geworden. Daneben liefern die Solaranlagen nach 20 Jahren immer noch 80 bis 85 Prozent der Leistung und bei Atomkraftwerken rechnen unsere Betreiber ja auch von einem halben Jahrhundert Betriebszeit. Wenn man längerfristig denkt, sieht es anders aus, auch wenn man das Abfallprodukt Trinkwasser verkauft. Bei nur 0,2 Euro pro Kubikmeter kommen so weitere 110.000 Euro zusammen, viel mehr als das Lithium wert ist (nebenbei: mit derselben Technologie kann man auch Uran und Gold aus dem Wasser gewinnen, das hebt die Wirtschaftlichkeit weiter an).

Ich sehe hier eine Chance. Weniger für Energieunternehmen, als vielmehr für die Ölstaaten. Zum einen suchen die schon seit Langem nach einer Einkommensquelle, wenn das Öl mal zu Ende ist. Zum anderen betrieben diese Staaten schon Meerwasserentsalzung und mit dem Wasser Landwirtschaft. In einem ersten Schritt könnten sie die Sole die sie heute schon erzeugen weiter verarbeiten und Lithium gewinnen. In einem zweiten Schritt könnte das ihre Zukunftsindustrie werden.

Die Fläche, die man so bewirtschaften kann, ist riesig, weil man so viel Wasser braucht, um Lithium zu gewinnen. In Deutschland regnet es im Mittel 800 mm/m²/Jahr. Bei einer Bewässerung mit 2000 mm/m²/Jahr würde eine 300 kwp Anlage rund 27.000 m² Fläche mit Wasser versorgen können. Da das Wasser bei 0,2 €/m³ rund 0,4 €/m² kosten würde, lohnt sich wirtschaftlich wohl eher Obst- und Gemüseanbau als Getreideanbau.

Noch utopischer: Eine viel größere Fläche könnte man mit Wald bepflanzen. Da muss man nicht dauernd wässern, benötigt zudem weniger Wasser und muss auch viel weniger Arbeit investieren. Damit würde ein weit vorausschauender Ölscheich nicht nur etwas fürs globale Klima tun, sondern auch für das regionale und wer weiß, wie teuer Holz in 50 oder 100 Jahren ist, wenn man alle Regenwälder und die Taiga abgeholzt hat?

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14.6.2019: Die Brennstoffzellenheizung

In der Stadtrundschau, dem Mitteilungsblatt meiner Stadt fiel mir vor einer Woche eine Anzeige eines Gasversorgers für die Brennstoffzellenheizung auf, diese Woche erneut wieder. Folgt man der Anzeige, so klingt das traumhaft: Kostenersparnis von 80 %. Da fängt man an seinem Verstand zu zweifeln, wie soll das gehen?

Nun als Chemiker und Raumfahrtfan weiß ich natürlich wie eine Brennstoffzelle arbeitet. Sie führt nichts anderes als die Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft durch, nur an Elektroden, sodass dabei auch Strom gewonnen wird. Das Prinzip ist alt. In der Raumfahrt wird es seit dem Geminiprogramm eingesetzt. Es zählt auch zu den alternativen Antrieben, da der Wirkungsgrad bei 40 bis 70 % liegt. Sodass selbst beim Antrieb eines Elektroantriebs die Effizienz höher als beim Benzinmotor ist.

Ein Artikel über Brennstoffzellen nennt für die Effizienz der Heizung sogar 90 % und verglicht dies mit Kraftwerken, die bei 40 bis 60 % liegen sollen. Das ist soweit richtig, aber der Vergleich hinkt. Denn anders als der Name suggeriert ist die Brennstoffzelle primär keine Heizung, sondern ein Stromgenerator. Man kann die Abwärme nutzen, um Wasser zu erhitzen. Weiterhin arbeitet die Brennstoffzelle mit Wasserstoff, gespeist wird sie aber mit Erdgas, also mehr oder weniger reinem Methan. Man muss also zuerst den Wasserstoff gewinnen. Das geschieht im Reformer, indem unter Energiezufuhr aus Methan und Wasserdampf Kohlenmonoxid und Wasserstoff gewonnen wird. Was mit dem Kohlenmonoxid geschieht, habe ich leider nicht gefunden. Ich nehme an, man wird es zu Kohlendioxid verbrennen, denn man benötigt in jedem Falle noch eine konventionelle Heizung, da der Hauptzweck der Brennstoffzelle eben die Stromerzeugung ist. Zudem ist Kohlenmonoxid hochgiftig, erheblich giftiger als Kohlendioxid.

Mit Heizungen hinkt der Vergleich deswegen schon, weil diese heute die Energie zu über 90 % ausnutzen. Der Wirkungsgrad einer Heizung ist durch den Carnot-Wirkungsgrad definiert:

Wirkungsgrad = 1 – Theiß / Tkalt

Wobei die Temperatur in Kelvin gemessen wird. Das heißt je höher die Verbrennungstemperatur ist und je kälter das Abgas ist. Bei einer klassischen Heizung muss das Abgas immer heißer als 100°C sein, wenn es den Schornstein verlässt, sonst kondensiert das Wasser aus und das ist den früher üblichen gemauerten Kaminen nicht erwünscht. Bei der Brennwerttechnik wird das Abgas noch durch einen Wärmeaustauscher abgekühlt und die Temperatur ist so geringer, dafür braucht man dann in der Regel neue Kamine. Doch selbst eine alte Heizung wie meine schafft 92,5 % Effizienz. Eine Brennwertheizung schafft dann 98 % bezogen auf den Energiegehalt des Brennstoffs, Werte über 100 % beziehen sich dann um den technischen Wirkungsgrad, der anders definiert ist.

Kurz: wenn eine normale Heizung schon 90 bis 98 % Effizienz erreicht, wie kann man dann mit Brennstoffzellenheizungen 80 % der Kosten sparen? Wie immer durch sehr optimistische Rechnungen. Sie beruhen darauf, das der Bundesbürger im Durchschnitt für 1 kWh Strom 29 ct bezahlt. Erdgas mit einem Brennwert von 10.000 kWh aber nur rund 520 Euro, also 5,2 ct/kWh. Wenn man also den größten Teil des Stromverbrauchs durch die Brennstoffzelle deckt, dann kommt man auf die 80%-Ersparnis, aber nur bei den Stromkosten. Günstig für die Rechnung wäre, auch wenn man das Warmwasser elektrisch heizt, denn Wärme fällt als Abfallprodukt bei der Brennstoffzelle dauernd an. Ein 80-l-Boiler, ausreichend für 2-3 Personen braucht alleine im Standby 1,0 kWh/Tag. Dazu kommt das warme Wasser. 80 l von 13 auf 80 Grad erhitzt verbrauchen schon 6,3 kWh. Das reicht gerade für eine Badewanne. Daher braucht man immer für die Brennstoffzellenheizung einen Wärmespeicher, wobei dieser meist größer dimensioniert ist (typisch 200 bis 250 l), um die Abwärme aufzunehmen, denn nachts braucht man kein Warmwasser.

Nur heizen kann man damit alleine nicht. Das zeigt eine einfache Rechnung. Eine dreiköpfige Familie hat typischerweise einen Strombedarf von 4000 bis 5000 kWh. Bei einem Eigenheim, bei dem man auch den Allgemeinstrom (Treppenhausbeleuchtung, Heizungsumwälzpumpe) mitrechnet, eher im oberen Bereich. Für einen solchen Haushalt rechnet man aber mit 18000 kWh Wärmenergie, wenn die Energieversorgung durch Erdgas erfolgt, das ist ja wegen des für die Brennstoffzelle benötigten Gasanschlusses immer der Fall. Bei nur 40 % Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle gewinnt man so nur 3000 kWh Wärme. Das reicht für das Warmwasser, aber nicht die Heizung. Die braucht man also zusätzlich.

Demgegenüber stehen Kosten von 25.000 bis 30.000 Euro für eine Brennstoffzellenheizung. Selbst bei den 80 % Energieersparnis (ohne bei 5000 kWh und 28 ct/kWh = 1400 Euro entsprechend 1120 Euro Ersparnis pro Jahr) braucht man mindestens 22 Jahre, bis sich das System rechnet. Und in der Praxis wird man nie diese Ersparnis erreichen, denn betrieben kann die Zelle nur werden, wenn die Abwärme abgenommen wird. Wenn man im Sommer kaum Warmwasser braucht, ist das nicht der Fall und der Strom kommt nach wie vor aus der Steckdose.

Die 30%-Heizölersparnis im ersten Artikel kommen vor allem dann zustande, wenn man Wasser durch die Heizung erhitzt. Denn da rechnet man mit 25 bis 30 % Anteil an Heißwasseraufbereitung. Nur ist dann die Strombilanz und die macht den Hauptteil der Ersparnis aus, dann entsprechend geringer. Der Gesamtgewinn ist immer kleiner, wenn schon vorher das Warmwasser von der Heizung bezog.

In jedem Falle aber wird man nie den ganzen Strombedarf decken können. Ein Screening von verfügbaren Anlagen ergab eine typische Leistung von 750 W. Das sind zwar am Tag dann 18 kWh und übers Jahr gerechnet 6570 kWh, also mehr als der typische Durchschnittsverbrauch, doch schon eine Kaffeemaschine, Mikrowelle oder ein Staubsauger braucht mehr Strom. Ebenso Waschmaschinen, Trockner, Herd. Damit kann man die Grundlast decken, aber nicht die Spitzenlast, die muss man nach wie vor beziehen. Eine Lösung wäre ein zusätzlicher Stromspeicher, wie er auch bei Solaranlagen eingebaut wird. Angesichts der konstanten Leistung unabhängig von Tag/Nachtzyklus und Jahreszeit würde sogar ein kleiner Speicher im Bereich 2-4 kWh reichen. Komischerweise scheint der aber nicht zu den teuren Heizungen dazuzugehören, denn dann wäre man wirklich autonom, sofern man nicht extreme Stromfresser betreibt.

Ideal wäre eine Kombination mit einer Wärmepumpe, die wieder aus der elektrischen Energie Wärme gewinnt, doch dazu ist die Leistung dann wieder zu gering: bei 200 Heiztagen mit maximal 18 kWh/tag (in der Praxis weil man ja Strom selbst verbraucht wohl eher unter 10 kWh) und einem Faktor 3,5 typisch für eine Wärmepumpe kommt man auf 7000 kWh Wärmeenergie, entsprechend dem Energiegehalt von rund 770 l Heizöl. Zudem fallen dann nochmals Zusatzkosten von 12.000 bis 18.000 Euro an, was das Preisniveau der Komplettanlage auf 40.000 bis 50.000 Euro hebt. 770 l Heizöl kosten bei 70 ct / l rund 540 Euro. Dafür muss man Strom beziehen, der bei 2000 kWh 560 Euro kosten würde – das ist also ein Nullsummenspiel, sofern man nicht den Überschuss für eine Wärmepumpe nutzt und den sonst nicht benötigt.

Es lohnt sich auch nicht, den Überschuss einzuspeisen. Denn selbst wenn man dafür so viel bekommt wie bei Solaranlagen (knapp 11 ct/kWh) so ist bei 5,2 ct/kWh Gestehungskosten und einem Wirkungsgrad von 40 bis 70 % das kaum ein Gewinn – bei 40 % Wirkungsgrad müsste die eingespeiste kWh sogar 13 ct kosten, um kostendeckend zu sein. Bei 70 % Wirkungsgrad macht man gerade 3,6 t/kWh Gewinn.

Brennstoffzellen im Auto

Bei dem Thema kommt man schnell auch auf diesen Einsatz. In Kraftfahrzeugen werden auch Brennstoffzellen eingesetzt, dort wird aber der Strom zum Antrieb eines Elektromotors genutzt. Sie werden als eine Lösung für eine Mobilität propagiert ohne Kohlendioxidemissionen. Das ist jedoch nur ein Aspekt. Der Wasserstoff muss ja von irgendwo herkommen. Heute wird er vor allem aus Erdgas gewonnen mit dem oben beschriebenen Prozess, der im Reformer stattfindet. Dasselbe kann man auch im Auto machen, dann nimmt man Methanol als Ausgangsbasis. Dann ist der Wirkungsgrad gemessen am Energiegehalt von Erdgas das man ja auch direkt verbrennen kann klein. Pro Kilogramm Wasserstoff muss man 34,3 MJ erst mal investieren – das ist in etwa der Energiegehalt von 1 l Diesel. Der Wasserstoff hat zwar einen höheren Energiegehalt von 134 MJ/kg aber so ist schon mal ein Viertel durch die Erzeugung weg. Dann wird er noch unter Druck in Tanks gepresst, das kostet weitere 12 % und die Elektromotoren haben einen Wirkungsgrad von etwa 95 %. In der Summe hat man so 62 % der Nettoenergie verwendet. Ein Motor, der Methan direkt verbrennt (LNG), soll um 35 % Wirkungsgrad haben. Demgegenüber sind die 62 % bei der Brennstoffzelle ein deutlicher Vorteil, aber das ist nicht die nachhaltige Lösung, das Erdgas stammt immer noch aus fossilen Quellen.

Wenn man den Wasserstoff aus Wasser gewinnt, hat man erst die Elektrolyse mit maximal 70 % Wirkungsgrad, dann den Transport und unter Drucksetzen mit 12 % Verlust und die Brennstoffzelle mit ebenfalls maximal 70 % Wirkungsgrad. In der Summe kommt dann nur noch 40 % als elektrische Energie an, in Antriebsenergie setzen dann Elektromotoren noch weniger um sodass der Wirkungsgrad, dem eines Diesels entspricht.

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