Niemand will diese Menschen – und so überleben sie einfach in diesen Lagern. Und überall auf der Welt sind die Menschen in Bewegung, wie nie zuvor. In England haben in diesem Jahr bisher etwa 30.000 Menschen den Ärmelkanal in kleinen Gummibooten überquert. Sie alle kommen aus Frankreich, einem sicheren und zivilisierten Land, in dem sie eine neue Heimat finden könnten. In den letzten Monaten kamen bis zu 40 % dieser Menschen aus Albanien. Und warum? Das scheint niemand zu wissen. Auch in Europa kommen viele Menschen an, die meisten über das Mittelmeer, andere über die Türkei oder Serbien. Diese Zahlen werden jedoch von der Situation in den USA in den Schatten gestellt, wo nach derzeitigen Schätzungen in nur einem Jahr über 2 Millionen Menschen aus Mexiko einreisen werden. Australien steht vor einem ähnlichen Problem.
Die Regierungen in aller Welt sehen keine einfachen Lösungen für diese Probleme. In Schweden gibt es eine neue rechtsgerichtete Regierung, die ein „härteres Vorgehen“ gegen illegale Einwanderer verspricht, und vor einigen Wochen haben wir auch in Italien eine neue rechtsgerichtete Regierung bekommen. Für Italien gibt es ein besonderes Problem – die italienische Insel Lampedusa liegt näher an Afrika als am italienischen Festland. In den USA haben die südlichen Bundesstaaten – Texas, New Mexico –, in denen Einwanderer aus Lateinamerika ankommen, einen neuen Trick entwickelt. Sie verladen diese Migranten in Flugzeuge und fliegen sie an Orte wie New York oder Neuengland, so als wollten sie sagen: „Wir machen unser Problem jetzt auch zu eurem Problem“. Präsident Trump hat begonnen, eine Mauer entlang der mexikanischen Grenze zu bauen, aber nur ein kleiner Teil wurde jemals fertiggestellt. Werden die USA dieses Projekt jetzt wieder aufnehmen? Ich kann keine Lösung für diese Probleme anbieten, aber es scheint klar, dass wir hier in Europa mehr Regierungen mit einer rechtsgerichteten Politik im Umgang mit illegaler Einwanderung erleben werden. Dieses Thema wird uns alle betreffen, in ganz Europa.
Großbatterien – die stille Revolution
Abb. 2: Invinity-Vanadium-Durchfluss- batterien sind in Containern untergebracht und können gestapelt werden Die meisten von uns sind sich der wachsenden Bedeutung erneuerbarer Energiequellen – vor allem Wind und Sonne – bewusst. Aber viele dieser Anlagen haben einen angeschlossenen Batteriespeicher. Im Vereinigten Königreich baut Intergen (intergen.com) zwei der größten Batteriespeicheranlagen der Welt, in Spalding in Lincolnshire und im London Gateway Harbour, beide mit ca. 1 GWh. Gresham House lädt in Zusammenarbeit mit Pivot Power private Investoren zu Investitionen ein. Pivot Power befindet sich im Besitz der französischen EDF. In den USA unterzeichnete FlexGen im September einen Vertrag mit dem chinesischen Unternehmen CATL über eine 10-GWh-Anlage in Kalifornien. Fast alle diese neuen Batteriespeichersysteme basieren auf Lithium-Ionen-Batterien. Doch nach rund 20 Jahren haben Durchflussbatterien nun den kommerziellen Maßstab erreicht. Invinity (invinity.com), deren größte Anlage derzeit 40 MW Strom liefert, bietet jetzt Vanadium-Redox-Durchflussbatterien an. Das Unternehmen hat seinen Sitz in Kalifornien und europäische Niederlassungen in England und Schottland. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen eine Anlage und wie ihre Leistung im Vergleich zu Lithiumbatterien ist. Angesichts einer prognostizierten Lebensdauer von 25 Jahren behauptet das Unternehmen, seine Anlage gehöre bezogen auf die Lebensdauer zu den wirtschaftlichsten Lösungen für die Stromspeicherung. Ich habe nur ein Problem mit der Vanadium-Redox-Technologie: Sie wird seit so vielen Jahren erforscht, dass es unwahrscheinlich ist, dass die Basistechnologie patentrechtlich geschützt ist. Eine andere, inzwischen kommerzielle Durchflussbatterie wird von ESS Inc. mit Sitz in Oregon, USA, angeboten (essinc.com), die von Bill Gates, dem Gründer von Microsoft, unterstützt wird. Ihre Chemie basiert nicht auf Vanadium-Redox, sondern auf Eisen (II/III), und sie haben einen NaCl-Elektrolyten. Auch sie führen eine Produktlebensdauer von 25 Jahren an. Das Diagramm in Abbildung 4 zeigt die Kosten für ihr System. Ich möchte nur eine weitere Durchflussbatterie erwähnen, nämlich das Zink-Brom-System, das von Primus Power im Silicon Valley entwickelt wurde (Abb. 5). Auch sie versprechen eine Batterielebensdauer von 20 Jahren. Für den statischen Einsatz scheinen Durchflussbatterien den Vorteil zu haben, dass man zur Erhöhung der Speicherkapazität einfach das Volumen des gespeicherten Elektrolyts vergrößern muss – ein größerer Tank genügt. Die oben beschriebenen Durchflussbatterien unterscheiden sich dadurch, dass einige eine Membran benötigen, die anderen nicht. Wie in den Abbildungen zu sehen ist, werden die meisten Systeme als international genormte Container angeboten.
Abb. 3: Leistung von ESS Vanadium Flow Batterie vs. Lithium Batterie
Abb. 5: Primus Power Zink-Brom-Durchflussbatterie (IFB)Fazit: Ich habe hier versucht, eine „Momentaufnahme“ von großen, kommerziell erhältlichen Batterien anzubieten. Ich bin mir sicher, dass sie nicht umfassend ist, und sie hat sicherlich einen „amerikanischen“ Touch. Gibt es noch andere ernstzunehmende Konkurrenten? Was ist mit Natrium-Schwefel? Eines ist klar: Der weltweite Anstieg der Energiepreise hat der Batteriespeicherung Auftrieb gegeben, die es den Nutzern ermöglicht, Strom zu Schwachlastzeiten zu kaufen, wenn er billiger ist. Wird Lithium teurer werden, wenn der Markt für Elektrofahrzeuge wächst? Es gibt riesige Mengen an Lithium im Meerwasser, aber weil es so verdünnt ist, ist es teuer, es zu gewinnen. Für Galvanotechniker sind das alles gute Nachrichten – wir haben ein einzigartiges Interesse an Gleichstrom. Können all diese sehr unterschiedlichen Technologien längerfristig überleben? Ich bezweifle es irgendwie, und so wird es eine Frage von „Faites vos Jeux“. Und haben Lithium-Batterien als Massenspeicher wirklich eine Zukunft? Jeder Einzelne von uns ist auf zuverlässigen, preiswerten Strom angewiesen.
Abb. 4: Stromspeicherkosten für die ESS Eisenflussbatterie (IFB)
Batterien und Energiespeicher – Welche Zukunft?
Alle Batterien, die ich oben beschrieben habe, sind, soweit ich weiß, jetzt verfügbar. Aber Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten hart daran, die nächste Generation zu entwickeln, z. B. ein Team an der Pritzker School of Molecular Engineering der Universität von Chicago. Ein Konzept basiert auf Lithium-Batterien, die Flüssiggas als Elektrolyt verwenden. Die kleinen Moleküle Fluormethan und Difluormethan haben einen niedrigen Schmelzpunkt, eine schnelle Kinetik und ein breites Spannungsfenster. In Kombination mit Co-Lösungsmitteln führen diese Eigenschaften dazu, dass diese Flüssiggaselektrolyte eine hervorragende Leistung bei niedrigen Temperaturen (< -60 °C), eine coulombsche Effizienz von Li-Metallen (> 99,8 %) und eine hohe Leistung von Hochspannungskathoden aufweisen. Allerdings sind diese Elektrolyte immer noch entflammbar.
Das Team ist nun auf der Suche nach fluorierten Molekülen mit längeren Kohlenstoffketten, wobei die Vorteile von Flüssiggasen, wie niedriger Schmelzpunkt, niedrige Viskosität und Beibehaltung einer bestimmten Polarität, erhalten bleiben sollen. Mit diesen Eigenschaften im Hinterkopf konzentrierte sich das Team auf 1,1,1,2-Tetrafluorethan (TFE) und Pentafluorethan (PFE), die nach eigenen Angaben eine Ionenleitfähigkeit von > 3 mS cm-1 von -78 bis +80 °C aufweisen. Diese beiden Moleküle sind auch die Hauptbestandteile einiger Feuerlöscher, was bedeutet, dass die Moleküle nicht brennbar sind und feuerlöschende Eigenschaften haben. Einzelheiten zu dieser Arbeit sind in Yin u. a. Nature Energy Bd. 7, ss. 548–559 (2022) veröffentlicht und bauen auf früheren Arbeiten auf: „Flüssiggaselektrolyte für elektrochemische Energiespeicher“.
Rustomji u. a. SCIENCE 15 Jun 2017, Bd 356, Issue 6345. DOI: 10.1126/science.aal4263
Wärme speichern, nicht Strom
In Finnland gibt es spannende Entwicklungen, die auf der Speicherung von Wärmeenergie im billigsten aller Materialien basieren – Sand. Finnische Forscher haben die weltweit erste voll funktionsfähige „Sandbatterie“ installiert, die grünen Strom über Monate hinweg speichern kann. Den Entwicklern zufolge könnte damit das Problem der ganzjährigen Versorgung gelöst werden, das bei grüner Energie eine wichtige Rolle spielt. Das Gerät, das aus minderwertigem Sand besteht, wird mit Wärme aufgeladen, die aus billigem Strom aus Sonnen- oder Windenergie gewonnen wird. Der Sand speichert die Wärme bei etwa 500 °C, die dann im Winter, wenn die Energie teurer ist, die Häuser erwärmen kann. In einer Ecke eines kleinen Kraftwerks in Westfinnland steht eine neue Technologie, die das Potenzial hat, diese Anforderungen zu erfüllen. Das Schlüsselelement in diesem Gerät? Etwa 100 Tonnen Bausand, die in einem tristen grauen Silo aufgestapelt sind.
In der Stadt Kankaanpää hat ein Team junger finnischer Ingenieure die erste kommerzielle Installation einer Wärmebatterie aus Sand fertiggestellt, von der sie glauben, dass sie das Speicherproblem auf kostengünstige und umweltfreundliche Weise lösen kann. „Wann immer eine Welle von Ökostrom zur Verfügung steht, wollen wir ihn sehr schnell in den Speicher einspeisen können“, sagte Markku Ylönen, einer der beiden Gründer des neuen Unternehmens Polar Night Energy, die die Technologie entwickelt haben. Die Entwickler sagen, dass ihr Gerät den Sand mehrere Monate lang bei 500 °C halten kann. Die Idee für die Sandbatterie wurde zunächst in einer ehemaligen Zellstofffabrik in der Stadt Tampere entwickelt, wobei die Stadtverwaltung den Arbeitsraum zur Verfügung stellte und die Finanzierung übernahm, um das Projekt in Gang zu bringen. Das Gerät wurde im Kraftwerk Vatajankoski installiert, welches das Fernwärmesystem der Region betreibt.
Kostengünstiger Strom erwärmt den Sand durch Widerstandsheizung auf bis zu 500 °C. Dadurch wird heiße Luft erzeugt, die über einen Wärmetauscher im Sand zirkuliert. In den kalten Monaten wird die gespeicherte Wärme über das bestehende Fernwärmesystem zur Beheizung der Häuser in der Stadt genutzt. Bis jetzt war es ein voller Erfolg.
Nicht 500, sondern 1200 °C
Abb. 6: Die NREL-Silica Thermal Energy Storage AnlageIch möchte nicht unhöflich sein, aber in den USA entwickelt das National Renewable Energy Laboratory (NREL) ebenfalls elektrisch beheizten Sand als Energiespeichertechnologie, und man muss sagen, dass ihre Technologie das finnische Projekt amateurhaft aussehen lässt. Bei dem amerikanischen Projekt wird der elektrisch erhitzte Sand bei 1200 °C statt bei 500 °C gelagert und zur Stromerzeugung sowie zur Freisetzung von Wärmeenergie verwendet. In Abbildung 6 ist die NREL-Technologie schematisch dargestellt. In dem neuen, vom NREL entwickelten System zur Speicherung thermischer Energie in Form von Partikeln werden Siliciumdioxidpartikel mittels Schwerkraft durch elektrische Widerstandsheizelemente geleitet. Die erhitzten Partikel werden in isolierten Betonsilos gelagert. Wenn Energie benötigt wird, werden sie durch einen Wärmetauscher geleitet, um Strom für das Netz zu erzeugen. Das System entlädt sich in Zeiten hohen Strombedarfs und lädt sich wieder auf, wenn der Strom billiger ist. Das Basissystem ist für die wirtschaftliche Speicherung von bis zu 26.000 MWh thermischer Energie ausgelegt. Dank des modularen Aufbaus kann die Speicherkapazität relativ einfach erhöht oder verringert werden.
Partikelthermische Energiespeichersysteme können mit der vorhandenen Infrastruktur aus stillgelegten Kohle- und Gaskraftwerken gebaut werden. Die partikelthermische Energiespeicherung ist eine Speicherform mit geringerer Energiedichte, aber sehr kostengünstig (2–4 US-Dollar pro kWh thermischer Energie bei einer Temperaturdifferenz von 900 °C zwischen Ladung und Entladung). Das Energiespeichersystem ist sicher, da inerter Quarzsand als Speichermedium verwendet wird, was es zu einem idealen Kandidaten für die massive Energiespeicherung über lange Zeiträume macht. Das NREL und das Technologieunternehmen für saubere Energien Babcock & Wilcox haben eine exklusive Vereinbarung über eine Option auf geistiges Eigentum zur Lizenzierung der thermischen Energiespeichertechnologie Enduring abgeschlossen. Babcock & Wilcox ist einer von mehreren industriellen und akademischen Forschungspartnern, die zum Enduring-Projekt beigetragen haben, darunter General Electric, Allied Mineral Products, Worley, die Purdue University und die Colorado School of Mines.
Enduring ist ein Akronym und Leser können sich durch eine Google-Suche nach NREL und Enduring auf den neuesten Stand bringen.
Eine Planänderung
Abb. 7: Die Wasseroberfläche brodelt wegen der beschädigten North Stream-Pipelines. Das austretende Erdgas wirbelt das Meer in einem Umkreis von einem Kilometer aufDie jüngsten Ereignisse in der Ostsee sind so bedeutsam, dass ich diesen Brief nicht fortsetzen kann, ohne eine „angelsächsische“ Perspektive einzubringen. Technisch gesehen waren die beiden North Stream-Pipelines mehrheitlich im Besitz von Gazprom, und wenn Russland beschließt, sie zu zerstören, und die ca. 24 Milliarden US-Dollar, die ihr Bau gekostet hat, zu vernichten, dann soll es so sein. Das ignoriert natürlich alle rechtlichen und kommerziellen Verträge, die Gazprom mit seinen deutschen Kunden abgeschlossen hat. Oberflächlich betrachtet, bringt diese Sabotage nichts. Russland hatte bereits die vollständige Kontrolle über die Gasströme, die seit August unterbrochen sind. Ich kann mir nur eine Erklärung vorstellen. Erstens war dies ein Eingeständnis Russlands, dass diese Pipelines aller Wahrscheinlichkeit nach nie wieder in Betrieb genommen werden würden (North Stream 2 wurde nie benutzt). Ihr Wert war also, mehr oder weniger – Null. Zweitens war es eine Demonstration der russischen Untersee-Technologien. Die Russen hätten die Sprengladungen an jedem beliebigen Punkt entlang der Pipelines anbringen können – z. B. in der Nähe ihres russischen Ausgangspunkts bei St. Petersburg. Stattdessen entschieden sich die Russen dafür, die Pipelines in den europäischen Heimatgewässern, ganz in der Nähe von Dänemark, zu beschädigen. Russland sandte die Botschaft: „Sogar euer eigener Hinterhof ist in unserer Reichweite“. Jetzt wird den europäischen Regierungen plötzlich klar, wie verwundbar sie sind. Es gibt noch weitere Pipelines, Stromkabel und Dutzende von Unterwasser-Telefonkabeln, die einen enormen Internetverkehr transportieren. Diese Unterseekabel erstrecken sich über viele Tausende von Kilometern und sind unmöglich zu verteidigen. Wladimir Putin hat also in nur wenigen Tagen den Konflikt eskalieren lassen und uns vor Augen geführt, wie verwundbar wir sind. Aber war es klug, dies zu tun? Einige mögen sagen, dass dies ein schwerer Fehler war. Solange die North Stream-Pipelines in Betrieb waren, auch wenn sie nicht genutzt wurden, gab es in Deutschland (und nicht nur in Deutschland) einflussreiche Stimmen aus Politik und Wirtschaft, die argumentierten: „Sicherlich können wir uns mit Putin einigen, indem wir die Sanktionen aufheben, wodurch die Gasströme wiederhergestellt würden, selbst wenn dies erhebliche Zugeständnisse in der Ukraine bedeuten würde“. Jetzt ist dieses Argument hinfällig. Es könnte bis zu einem Jahr dauern, bis der Schaden behoben ist, und es ist jetzt klar, dass wir in Europa einen schwierigen Winter haben werden. Was das Poker-Kartenspiel angeht, so scheint Putin seine beste Karte zerstört zu haben. Ich bin kein Pokerspieler, aber ich glaube, das nennt man „doubling down“ (dt.: den Einsatz verdoppeln). Mir fällt nur eine Erklärung ein, nämlich dass Putin keine Zukunft für russisch-europäische Handelsbeziehungen sieht, sondern sich nach Osten, nach China und vielleicht auch nach Asien, wenden will. Die Folgen für die deutsche Industrie sind in diesem Szenario tiefgreifend. Alle europäischen Regierungen werden nun vermutlich die Verteidigungsausgaben erhöhen. Ein Teil des Internetverkehrs wird bereits über Satelliten abgewickelt, und die Regierungen werden nun daran arbeiten, diesen Anteil zu erhöhen. In einem früheren Brief habe ich darauf hingewiesen, wie das russische Abfackeln von ungenutztem Erdgas unsere Atmosphäre verschmutzt. Aus den beschädigten Pipelines (Abb. 7) wurde eine riesige Menge Methan freigesetzt, die einigen Angaben zufolge mehr als einem Drittel der dänischen Jahresemissionen entspricht. Technisch gesehen befindet sich Europa nicht im Krieg mit Russland, aber die jüngsten Ereignisse, sowohl im Baltikum als auch in der Ukraine, wo Russland den Donbas annektiert, haben uns diesem Punkt näher gebracht.
Drohnen-Hubschrauber sollen russische U-Boote aufspüren
Abb. 8: Wie ein Drohnenhubschrauber ein U-Boot aufspüren könnte Großbritannien entwickelt Drohnenhubschrauber, die russische U-Boote aufspüren sollen. Dabei handelt es sich um kleine röhrenförmige Bojen, die U-Boote aufspüren und Daten an das Flugzeug zurücksenden. Das Verteidigungsministerium wird Leonardo, einem der führenden britischen Luft- und Raumfahrtunternehmen, über einen Zeitraum von vier Jahren 65 Millionen Euro zur Verfügung stellen, um einen drei Tonnen schweren Demonstrator zu entwerfen und zu entwickeln – weniger als ein Fünftel des Gewichts eines Merlin-Hubschraubers. Die Drohne soll im Jahr 2025 ihren ersten Flug absolvieren. Wenn ein U-Boot gesichtet wird, soll die Drohne einen Hubschrauber mit Besatzung alarmieren und bei Bedarf Unterstützung anfordern. Das Verteidigungsministerium erklärte, die neuen unbemannten Hubschrauber könnten „eine innovative Alternative zu bestehenden Flugzeugen für die Verfolgung gegnerischer U-Boote darstellen“ und sollen billiger und sicherer sein als Flugzeuge mit Besatzung. NATO-Beobachter haben in den letzten Jahren eine stetige Zunahme der russischen U-Boot-Aktivitäten festgestellt. Abbildung 8 zeigt das System. Es wäre möglich, mehrere solcher Drohnen unter dem Kommando eines einzigen bemannten Flugzeugs einzusetzen.
Ein neues „Super-Material“
Er sieht aus wie normaler Beton. Er lässt sich wie normaler Beton gießen. Aber er ist ganz anders. James Baker, Geschäftsführer von Graphene@Manchester, konnte kaum glauben, was er sah, als er den Einbau eines neuen Rollerdisco-Bodens im Depot Mayfield in Manchester beobachtete. Die Betonplatte härtete so schnell und so stark aus, dass die Bauarbeiter damit begannen, Poliermaschinen über den trockensten Teil des Bodens zu fahren, während ihre Kollegen noch das andere Ende der Bahn betonierten. „Normalerweise müsste man eine Woche warten, bevor man das tun könnte“, erklärte Baker. Der Einbau dauerte weniger als einen Tag. Dieser Beton war etwas Besonderes, denn er enthielt eine winzige, aber ausreichende Menge an Graphen. Graphen ist das stärkste Material, das je entdeckt wurde, aber seit nunmehr zwei Jahrzehnten ist der Versuch fehlgeschlagen, es in kommerziellen Produkten einzusetzen. Wird sich das nun ändern?
Es besteht die Hoffnung, dass Graphen nicht nur die mechanischen Eigenschaften bestimmter Materialien verbessert, sondern auch einige Projekte umweltfreundlicher machen könnte. „Durch die Zugabe von nur 0,1 % Graphen zu Zement und Zuschlagstoffen kann man potenziell weniger Material verwenden, um die gleiche Leistung zu erzielen“, erklärt Baker. Eine Verringerung der beim Bau verwendeten Betonmenge um beispielsweise 30 % könnte die weltweiten CO2-Emissionen um 2–3 % senken.
Neben der Walzendisco haben Baker und seine Kollegen den mit Graphen versetzten Beton, der als Concretene bekannt ist, auch in einem Fitnessstudio in Wiltshire und bei einigen Straßenbauprojekten getestet, darunter ein mehrere hundert Meter langer Abschnitt der Autobahn A1 in Northumberland. Das Team wird in diesem Jahr auch ein Projekt in den Vereinigten Arabischen Emiraten mit Concretene ausstatten. Bei diesen ersten Versuchen handelte es sich um recht einfache Projekte, erklärt Baker – Bodenplatten und nicht etwa Wände oder erhöhte Plattformen, die mit größeren Risiken verbunden sein könnten. Bislang hat das Betonmaterial jedoch die gewünschten Leistungen erbracht.
Aber warum hat Graphen diese Wirkung auf Beton? Kohlenstofffasern wurden bereits früher zur Verstärkung von Beton verwendet, und Graphen (obwohl seine Flocken viel kleiner sind als Kohlenstofffasern) spielt eine ähnliche Rolle, so Dr. Lisa Scullion vom Graphene Engineering Innovation Centre der Universität Manchester. Es geht jedoch um mehr als das. Die Graphenfragmente können auch die Art und Weise verändern, wie sich der Beton um sie herum verfestigt. „Sie bilden wahrscheinlich Keimbildungsstellen auf der Oberfläche des Graphens, um die Struktur innerhalb des Betons zu regulieren“, sagt Dr. Scullion und fügt hinzu, dass die Wissenschaftler noch dabei sind, die Folgen dieser Entwicklung zu ergründen. Es könnte den Beton dichter machen oder die Struktur der Poren innerhalb des Betons verändern.
Das neue Material ist so stark, dass bei einigen Anwendungen Bewehrungsstäbe überflüssig werden – eine enorme Einsparung an Kosten und Bauzeit. Neben Beton könnte Graphen auch die Haltbarkeit von Farben und Beschichtungen verbessern, indem es deren Korrosionsschutz erhöht. „Durch die vielen winzigen Flocken können Wasser und korrosive Ionen nicht so schnell in das Metall eindringen“, so Dr. Scullion.
Und durch die Verbesserung der Festigkeit von Baumaterialien könnten Architekten eines Tages viel aufwendigere und unregelmäßigere Fassaden entwerfen, die vielleicht von Formen in der Natur inspiriert sind, schlägt Professor Pasquale Cavaliere von der Universität Salento vor. Am Graphen-Institut der Universität Manchester erforschen Wissenschaftler Dutzende von neuen Anwendungen für diesen „Wunder-Werkstoff“.
