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Dienstag, 15 März 2022 15:00

Brief aus England

von
Geschätzte Lesezeit: 7 - 13 Minuten

Zwei Stämme?

In England gibt es heute, und vielleicht ist es in Deutschland genauso, zwei verschiedene Stämme. Den einen werde ich den „blauen Stamm“ nennen, den anderen den „grünen Stamm“. Beide Stämme glauben an die globale Erwärmung und an die Notwendigkeit, die CO2-Emissionen zu reduzieren. Der „blaue“ Stamm“ besteht jedoch darauf, dass der Energiesicherheit Vorrang eingeräumt werden muss, während der „grüne“ Stamm die Reduzierung der CO2-Emissionen als Priorität fordert.

In England haben die Grünen einige Siege errungen. England verfügt über beträchtliche Erdgasreserven, die in Gesteinsschichten eingeschlossen sind und die durch sogenanntes „Fracking“ gewonnen werden könnten. Den Grünen ist es zu verdanken, dass in England kein Fracking mehr durchgeführt wird. Es stimmt, dass Fracking – sowohl in England als auch in den USA, wo es ein großes, erfolgreiches Geschäft ist – mit kleineren Erdbeben verbunden ist, die vielleicht Stufe 3 auf der Richterskala erreichen können. In der Nordsee sind zwar die meisten Öl- und Gasvorkommen gefördert worden, aber einige wichtige Reserven sind noch vorhanden. Auf öffentlichen Druck hin haben die großen Ölgesellschaften – Shell, Esso u.a. – beschlossen, sich zurückzuziehen, und es ist nicht klar, ob andere, kleinere Ölgesellschaften in Zukunft in der Nordsee tätig sein werden. Die englischen Grünen scheinen – vielleicht widerstrebend – die Kernenergie zu akzeptieren. Die deutschen Grünen wohl nicht. Die EU hat nun erklärt, dass sowohl Erdgas als auch Kernkraft „grün“ seien.

Großbritannien hat jetzt einen Energieplan

Abb. 1: Entwurf für den Reaktorkern des  Rolls-Royce Small Modular Reactor (SMR) Abb. 1: Entwurf für den Reaktorkern des Rolls-Royce Small Modular Reactor (SMR) Die Zukunft der grünen Energie für das Vereinigte Königreich scheint nun klar zu sein. Sie wird in erster Linie auf einer Mischung aus Kernkraft und Windenergie beruhen. Für die Kernenergie wurde ein neues Unternehmen gegründet – Rolls-Royce SMR (www.rolls-royce-smr.com). Rolls-Royce selbst wird der Hauptpartner sein, mit weiteren Partnern aus dem zivilen Ingenieurwesen und anderen Sektoren. Der anfängliche Plan sieht den Bau von 16 SMR (Small Modular Reactor) an verschiedenen Standorten im Vereinigten Königreich vor, meist an den Standorten ehemaliger Kraftwerke, die bereits an das nationale Stromnetz angeschlossen sind. Die SMRs werden für eine Leistung von jeweils ca. 470 MW ausgelegt sein. Die Produktionskosten werden auf jeweils 2 Milliarden Englische Pfund (2,4 Milliarden Euro) geschätzt. Etwa 90 % dieser Reaktoren werden im Werk gebaut. Zum Vergleich: Das im Bau befindliche AKW Hinkley Point C wird ca. 22 Mrd. Englische Pfund kosten (26,5 Mrd. Euro) und 3,2 GW liefern. Die Fertigstellung ist für 2026 geplant. Flamanville 3 in der Normandie hat eine Leistung von 1,65 GW und geschätzte Endkosten von 12,7 Milliarden Euro; es soll 2023 in Betrieb gehen. Bei diesen beiden letzten großen AKW hat sich die Fertigstellung verzögert, zudem haben sich die anfangs anberaumten Kosten stark erhöht. Rolls-Royce sucht nun nach einem Standort für eine neue Fabrik zum Bau dieser AKW. Die britische Regierung muss sich entscheiden, ob sie in Zukunft auf SMRs setzt oder ob sie weitere 3 GW-Anlagen baut. CGN (China General Nuclear) würde gerne eine oder zwei solcher Großanlagen in England bauen, aber Großbritannien ist sich, wie viele andere europäische Länder, nicht sicher, ob es seine Verbindungen zu China ausbauen möchte. Was die Kosten anbelangt: Hinkley C liefert Energie für ca. 7 Milliarden Englisch Pfund/GW (8,4 Milliarden Euro). Flamanville ist mit 7,7 Milliarden Euro/GW etwas günstiger. Die SMR von Rolls-Royce liegen bei 4,25 Milliarden Pfund/GW (5,1 Milliarden Euro). Alle diese Zahlen sind Projektionen. Abbildung 1 zeigt den Kern des Rolls-Royce SMR.

Vor einigen Wochen hat die polnische Regierung eine Vereinbarung mit dem amerikanischen Unternehmen NuScale über den Bau von SMR-Anlagen in Polen unterzeichnet. Der NuScale-Reaktor hat eine Leistung von 77 MW und wird wahrscheinlich in einer Gruppe von 12 Modulen gebaut, also mit einer Kapazität von etwas weniger als 1 GW. Es stellt sich nun die Frage, ob große Atomkraftwerke eine Zukunft haben, oder ob fabrikgefertigte SMR an ihre Stelle treten werden. Laut Präsident Macron, der im Februar meinte, die Antwort sei ja – plant Frankreich den Bau von mindestens sechs neuen großen AKWs. Alle diese Unternehmen sehen einen vielversprechenden Exportmarkt für Kernreaktoren, und es ist klar, dass es einen starken Wettbewerb geben wird. Auch Russland ist in diesem Bereich aktiv.

Windenergie

Die Windenergie leistet mit über 25 % bereits einen großen Beitrag zur Deckung des britischen Strombedarfs, und dieser Anteil soll sich bis 2030 verdoppeln. Der Ausbau wird sich hauptsächlich auf Offshore-Windparks und Windparks an Land konzentrieren. Offshore-Windräder werden zunehmend auf schwimmenden Plattformen Energie gewinnen und nicht mehr im Meeresboden verankert sein. Und: Die Wind­energie ist inzwischen sehr wettbewerbsfähig. Wenn wir sie in den nächsten Jahren ausbauen, sieht die Zukunft sehr rosig aus. Darüber hinaus bietet die Kernfusion großes Potenzial.

Wir haben doppelt verglaste Fenster, wir haben dreifach verglaste Fenster. Wir haben Fenster mit beschichteten Glasflächen. Und jetzt vielleicht – elektrische Fenster. Wissenschaftler haben den Prototyp eines Fensters mit schaltbaren Absorptionseigenschaften entwickelt, das im Winter Wärme aufnehmen und im Sommer reflektieren kann. Ein Artikel in der Fachzeitschrift ACS Photonics zeigte, dass dies möglich ist, ohne dass es für die Bewohner des Hauses sichtbar dunkler wird, da das verwendete Material eine hohe Selektivität bei den Wellenlängen des Lichts aufweist, die es absorbiert oder reflektiert. Das Fenster besteht aus einer nur 12 μm dicken Folie, die ein Material enthält, das seinen Zustand ändert, wenn es mit Hilfe einer transparenten Heizung auf hohe Temperaturen erhitzt wird. Ein transparentes Heizgerät bewirkt eine strukturelle Neuausrichtung der Atome im Inneren, wodurch sie zwischen einem kristallinen und einem nicht-kristallinen Zustand wechseln und so ihre Eigenschaften verändern. Die Heizung muss nur für den Bruchteil einer Sekunde eingesetzt werden, um diese Veränderung zu bewirken.

Abb. 2: Elektrisch schaltbares FensterAbb. 2: Elektrisch schaltbares Fenster

In einem Zustand reflektiert die Folie infrarotes Licht und hält den Raum kühler. In einem anderen absorbiert sie das Licht und strahlt es in den Raum zurück. Die Wissenschaftler glauben, dass sie auf diese Weise die Energieeffizienz einer Standard-Doppelverglasung um ein Fünftel bis ein Drittel verbessern können. „Wichtig ist, dass das sichtbare Licht in beiden Zuständen fast identisch durchgelassen wird, so dass man die Veränderung des Fensters nicht bemerkt“, so Nathan Youngblood von der University of Pittsburgh. Als Beschichtung mit niedrigem Emissionsgrad wurde ein Phasenwechselmaterial auf Chalkogenidbasis (Ge20Te80) verwendet, das den solaren Wärmegewinn eines Fensters modulieren kann, während die neutrale Färbung und die konstante Lichtdurchlässigkeit bei sicht­baren Wellenlängen erhalten bleiben. In der Studie wurde auch die kontrollierte Umwandlung von absorbierter Nahinfra­rotenergie in Ferninfrarotstrahlung demon­striert, die zur Beheizung des Ge­bäude­in­neren genutzt werden kann, und ein schnel­les Umschalten im Submillisekundenbereich mit Hilfe transparenter elektrischer Heizelemente ermöglicht, die in Glassubstrate integriert sind. Diese kombinierten Eigenschaften führen zu einem intelligenten Fenster, das effizient und ästhetisch ansprechend ist, was für die erfolgreiche Einführung grüner Technologie entscheidend ist (Abb. 2).

Derzeit haben die Forscher die Folie nur an einer sehr kleinen Glasscheibe getestet. Um die Technologie auf den Markt zu bringen, müssen Youngblood und seine Kollegen die Technik auf einer fenstergroßen Fläche testen, was auch eine Verteilung der Heizung erfordert. Letztendlich, so Youngblood, wollen sie die Technik mit intelligenten Sensoren verbinden, die sich je nach Temperatur und Sonneneinstrahlung anpassen.

„Es wäre von Vorteil, hin und her zu schalten. Sogar im Winter könnte man je nach Außen- und Innentemperatur und Sonneneinstrahlung umschalten“, sagte er. „Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass das Konzept sehr vielversprechend ist und mit weiterer Forschung sehr gute Wirkungsgrade erzielt werden können.

Quelle: „Reconfigurable Low-Emissivity Optical Coating Using Ultrathin Phase Change Materials“. N Youngblood u.a. Heft ACS Photonics: 2022,9 (1) ss 90-100. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01128 

Science Fiction wird Realität – Fliegende Autos

Abb. 3: Das AirCar im FlugAbb. 3: Das AirCar im FlugFliegende Autos werden seit langem in Science Fiction-Geschichten beschrieben und in den letzten Jahren wurden sie auch tatsächlich Wirklichkeit. Vor einigen Monaten habe ich über die jüngste Entwicklung berichtet, die im Januar dieses Jahres von der slowakischen Regierung die Flugtauglichkeitsbescheinigung erhalten hat. Der sogenannte „AirCar“ kann bis zu 160 km/h schnell fliegen und eine Flughöhe von 2500 m erreichen. Er wird von einem ­BMW-Benzinmotor angetrieben und kann in weniger als 3 Minuten vom Pkw zum Flugzeug umgebaut werden (Abb. 3). Es stellen sich zwei Fragen: Wird er in Produktion gehen und wenn ja, wird er ein kommerzieller Erfolg sein? Die Antwort wird zum Teil davon abhängen, wie lang die Start- und Landebahn sein muss. Und ob er auf Hauptstraßen oder Seitenstraßen landen kannt? Mit ausgeklappten Flügeln hätte es eine Breite von ca. 12 bis 15 Metern und würde damit mindestens zwei Fahrspuren einer Straße belegen.

Im Englischen gibt es das Sprichwort „Neither Fish nor Fowl“ (Weder Fisch noch Fleisch). Ist es passend, den AirCar mit diesen Worten zu beschreiben?

Die Speicherung von Energie

Ich habe in letzter Zeit viel über neue Methoden der Energieerzeugung geschrieben. Aber auch die Energiespeicherung, insbesondere bei erneuerbaren Energien wie Wind oder Sonne, rückt zunehmend in den Fokus. Ein Unternehmen, das Anfang des Jahres auf der US-Technologiemesse CES mit dem Best of Innovation Award 2022 ausgezeichnet wurde, könnte die Lösung haben. Das niederländische Start-up-Unternehmen Ocean Grazer hat die Ocean Battery entwickelt, die Energie unterhalb von Windparks speichert. Bei Stromüberschuss pumpt das System Wasser aus einem unterirdischen Reservoir in eine robuste, flexible Blase, die auf dem Meeresboden liegt. Sie ist einem großen Fahrradschlauch nicht unähnlich (Abb. 4).

Abb. 4: Die Ocean Battery verwendet eine Blase auf dem Meeresboden, die Wasser unter Druck hält. Das Wasser in diesen Schläuchen steht unter Druck, so dass es, wenn es abgelassen wird, schnell fließt und durch Turbinen geleitet wird, die sich ebenfalls auf dem Meeresboden befinden und bei Bedarf Strom erzeugen  Abb. 4: Die Ocean Battery verwendet eine Blase auf dem Meeresboden, die Wasser unter Druck hält. Das Wasser in diesen Schläuchen steht unter Druck, so dass es, wenn es abgelassen wird, schnell fließt und durch Turbinen geleitet wird, die sich ebenfalls auf dem Meeresboden befinden und bei Bedarf Strom erzeugen „Die Ozeanbatterie basiert im Grunde auf der gleichen Technologie wie die Wasserspeicherung, bei der Wasser durch einen Damm in einen Fluss zurückgepumpt wird, jetzt aber so abgewandelt, dass man das Prinzip auf dem Meeresgrund einsetzen kann“, sagt Geschäftsführer Frits Bliek.

Ein Prototyp, der für tiefe Gewässer ausgelegt ist, wurde bereits im Hafen von Groningen in den Niederlanden getestet (Abb. 5). Das Unternehmen bereitet nun den Test eines zweiten Systems vor, das für flacheres Wasser in einem See im Norden der Niederlande modifiziert wurde. Dieses System soll nächstes Jahr in Betrieb genommen werden. Viele Windparks an Land verwenden bereits Batterien, um zusätzliche Energie zu speichern, aber es gibt eine Reihe von Problemen, wenn diese auf See eingesetzt werden sollen.

„Wenn man ein groß angelegtes System auf See bauen will, müsste man auch eine riesige Plattform aus Seecontainern errichten, und das hat sich als sehr, sehr kostspielig erwiesen. Außerdem ist die Lebensdauer der Batterien nicht sehr lang“, sagt Frits Bliek. Während Lithium-Ionen-Batterien 5.000–10.000 Ladezyklen überstehen, schafft die Ocean Battery bis zu einer Million Zyklen. Obwohl die Kosten für die Speicherung in etwa das gleiche Niveau haben, ist die Ocean Battery durch ihre längere Lebensdauer insgesamt viel billiger.

„Wir haben herausgefunden, dass sie in flachen Gewässern überall dort eingesetzt werden kann, wo Windparks gebaut werden, und das ist letztendlich auch ziemlich kosten­effizient“, sagt Bliek. Er ist auch der Meinung, dass die Technologie zusammen in Verbindung mit Solarparks eingesetzt werden kann, wenn es in der Nähe einen See gibt.

Abb. 5: Der Prototyp von Ocean Grazer wird ins Wasser gelassen – ein größerer Test ist geplant Abb. 5: Der Prototyp von Ocean Grazer wird ins Wasser gelassen – ein größerer Test ist geplant

Energiespeicherung – australischer Stil

Abb. 6: Das LAVO-Wasserstoff-EnergiespeichersystemAbb. 6: Das LAVO-Wasserstoff-EnergiespeichersystemEine völlig andere Form der Energiespeicherung, die einen ganz anderen Markt bedient, stammt von dem australischen Unternehmen LAVO, das mit der University of New South Wales zusammenarbeitet. LAVO ist eine Wasserstoff-Hybridbatterie, die über 40 kWh Strom speichert – genug, um ein durchschnittliches australisches Haus zwei Tage lang mit Strom zu versorgen. In Verbindung mit handelsüblichen Solarzellen auf dem Dach erzeugt LAVO bei Bedarf grünen Wasserstoff für erneuerbare Energie.

LAVO verwendet ein patentiertes Metallhydrid zur Speicherung von Wasserstoff in einer Metalllegierung, um die weltweit erste Wasserstoffbatterie mit Langzeitspeicherung in einem sicheren Behälter zu ermöglichen. Das Gerät soll genauso viel kosten wie eine Lithium-Ionen-Batterie, aber dreimal so lange halten. Die patentierte Metalllegierung, die Wasserstoff bei einem Druck von 30 bar speichert und reguliert, ist zu 100 % recycelbar, und das Hydrid ermöglicht 20.000 Speicher- und Ladezyklen. Zur Anlage gehören auch ein Wasserelektrolyseur, ein Wasseraufbereiter und Wasserstoff-Brennstoffzellen. Abbildung 6 zeigt die LAVO-Anlage.

Auch hier stellt sich die Frage, wie wirtschaftlich erfolgreich dieses Projekt sein kann. Für Häuser, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind, könnte es sehr geeignet sein. Aber in Europa, im Gegensatz zu Australien, sind die meisten Häuser mit einem Anschluss ausgestattet. Es stellt sich auch die Frage nach dem Gesamtwirkungsgrad im Lade-Entlade-Zyklus. Bei Lithium-Batterien liegt dieser bei ca. 90 %. Bei dem LAVO-System sind es nur ca. 50 %. Die Technologie könnte jedoch in „Nischenmärkten“ erfolgreich sein. Man denke an das berühmte „Australische Outback“.

Tesla Cybertruck nimmt Fahrt auf

Abb. 7: Der Tesla Cybertruck kann in einen Katamaran umgewandelt werdenAbb. 7: Der Tesla Cybertruck kann in einen Katamaran umgewandelt werdenVor einigen Monaten habe ich den Tesla Cybertruck beschrieben, einen Pick-up, der noch revolutionärer ist als die Tesla-Pkws. Seit seiner Markteinführung haben ihn mehrere Unternehmen für speziellere Anwendungen angepasst. Dazu gehört jetzt auch der „Cybercat“ – ein Katamaran auf der Grundlage des Cybertrucks. Der amerikanische Materialwissenschaftler Anthony Diamond hat das Cybercat-Zubehör entwickelt, bei dem das vollelektrische Fahrzeug mit zwei aufsteckbaren Pontons und Außenbordmotoren ausgestattet ist (Abb. 7). Die Montage oder Demontage des Cybercats kann leicht von einer Person in weniger Zeit durchgeführt werden als das Zuwasserlassen eines Bootes. Da alle Komponenten des Katamarans in verschiedene bewegliche Teile zerlegt werden können, lassen sie sich bequem im Laderaum des Cybertrucks verstauen.

Mit Hilfe miteinander verbundener Sensoren, Strom-/Datenverbindungen und Ponton-Druckwandlern prüft der Cybercat digital, ob die Teile richtig zusammengebaut sind, bevor er das Fahrzeug ins Wasser lässt. Die Eigenschaften der aufblasbaren Pontons geben dem Cybercat eine Bodenfreiheit von 25 cm. Sobald er auf dem Wasser ist, werden die elektrischen Außenbordmotoren, die Pontons und die Tragflächen heruntergeklappt, während die Räder eingezogen werden.

Der Katamaran-Bausatz von Diamond verfügt über zwei Pontons und fünf 50 kW-Außenbordmotoren, die eine Geschwindigkeit von über 40 km/h erreichen sollen. Das Design ist derzeit zum Patent angemeldet, aber Interessierte können auf der Cybercatamaran-Website eine Reservierung vornehmen. Die Kosten für den Umbau liegen bei ca. 30.000 Euro.

An den Börsen

Ein sogenannter „Urban Miner“, der Metalle zur Wiederverwendung in Batterien für Elektrofahrzeuge recycelt, bereitet sich auf die Notierung an der Londoner Börse vor. Neometals, das bereits in Australien mit einer Bewertung von rund 500 Millionen Euro notiert ist, strebt eine doppelte Notierung am AIM, der Londoner Junior-Börse, an. Chris Reed, der Geschäftsführer des Unternehmens, bezeichnete Neometals als „New-Age Urban Miner“. Das Unternehmen hat derzeit noch keine Einnahmen, entwickelt aber Projekte in ganz Europa. Dazu gehört eine Anlage zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien in Deutschland, die voraussichtlich Ende März die Produktion aufnehmen wird. Das Unternehmen plant die Eröffnung größerer Fabriken in Europa oder Nordamerika. Für Metalle wie Lithium, die in Batterien verwendet werden, wird eine steigende Nachfrage prognostiziert, da die Welt auf Elektrofahrzeuge umsteigt, um den Klimawandel zu bekämpfen. Europa verfügt nicht über die natürlichen Ressourcen, die für die Herstellung von Batterien benötigt werden. Das Recycling ist daher wichtig, um eine stabile Lieferkette für die Automobilhersteller aufzubauen, anstatt sich auf Importe zu verlassen. Zu den Projekten in der Entwicklung gehören Recyclinganlagen für Lithium-Ionen-Batterien, in denen die Batterien geschreddert werden, um eine „schwarze Masse“ – eine Mischung aus Lithium, Nickel, Kupfer, Kobalt und Graphit – zu erzeugen, die dann raffiniert werden kann. Weitere Initiativen umfassen ein Vanadium-Recyclingprojekt in Skandinavien und den konventionellen Abbau von Titan und Vanadium in Westaustralien.

 

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 3
  • Jahr: 2022
  • Autoren: Dr. Anselm T. Kuhn

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