Dienstag, 01 August 2023 12:59

Brief aus England

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Abb. 1: Experimenteller mit Wasserstoff betriebener Dieselmotor Foto: Prof. Shawn Kook

Eine Zeit des Wandels und der Ungewissheit

Mehr als 100 Jahre lang wurden Pkw und Lkw von Benzin- oder Diesel-Brennstoffmotoren mit Hubkolben angetrieben. Der Wankelmotor hatte ein kurzes Leben und es gab vielleicht ein halbes Dutzend Versuchsfahrzeuge, die von Gasturbinen angetrieben wurden. Welche Technologie wird sich in den kommenden Jahren durchsetzen? Werden es Batterien, Brennstoffzellen oder herkömmliche, mit Wasserstoff betriebene Brennstoffmotoren sein? Alle diese Technologien sind entweder bereits auf dem Markt oder befinden sich in der Entwicklung. Einer der neueren erfolgreichen Pkw-Hersteller ist der südkoreanische Kia. Kürzlich machte ein leitender Angestellter, Paul Philpott, deutlich, dass das Unternehmen – das inzwischen mehrere Elektroauto-Modelle anbietet – keine Möglichkeit sieht, Elektroautos (EV) anzubieten, die preislich mit den heutigen Benzin-Pkw konkurrieren könnten. Während eine benzinbetriebene Limousine mit vier Plätzen der Einstiegsklasse ca. 20.000 Euro kostet, sieht Kia derzeit keine Möglichkeit, ein vergleichbares EV für weniger als 30.000 Euro anzubieten. Wie er anmerkte, kostet sogar die EV-Version des Fiat 500 über 30.000 Euro. Das günstigste Kia-Elektroauto ist derzeit der e-Niro, der etwas weniger als 40.000 Euro kostet. Die europäischen Regierungen planen, den Verkauf neuer Brennstoffmotoren-Pkw bis 2030 oder kurz danach zu verbieten. Wie werden die Verbraucher – oder auch die Wähler – reagieren, wenn sie gezwungen werden, beim Kauf eines neuen Pkw 10.000 Euro zusätzlich auszugeben?

Umstellung von Dieselmotoren auf Wasserstoff

Da wir versuchen, die Kohlstoffemissionen weltweit zu reduzieren, stellt sich die Frage: Kann ein Dieselmotor – d. h. ein Selbstzündungsmotor – mit Wasserstoff betrieben werden? Die Antwort scheint zu lauten: Ja – aber nur mit 90 % Wasserstoff. Ingenieure auf der ganzen Welt untersuchen diese Frage, führend scheint ein Team an der Universität von New South Wales in Australien zu sein. Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau mit dem Studenten Xinyu Liu (links) und Professor Kook (rechts).

Es scheint, dass ein Gemisch mit etwa 10 % Dieselkraftstoff notwendig ist, um eine zufriedenstellende Verbrennung zu erreichen. Ein weiteres Problem – das das Team nach eigenen Angaben gelöst hat – ist die Aufrechterhaltung eines niedrigen Gehalts an Stickstoffoxiden (NOx) in den Abgasen. Und, was vielleicht am wichtigsten ist, das Team behauptet, dass bestehende Dieselmotoren für den Betrieb mit Wasserstoff nachgerüstet werden können. Australien hat eine große Flotte von Bergbau-Maschinen. Die neue Technologie wird in dem nachstehenden Bericht beschrieben, und es wurden auch Patente angemeldet.

Quelle: „Direct injection of hydrogen main fuel and diesel pilot fuel in a retrofitted single-cylinder compression ignition engine“ Xinyu Liu u. a. International Journal of Hydrogen Energy. Bd 47, Ausgabe 84, 5. Oktober 2022, ss. 35864-35876

Cellulosebeschichtung neutralisiert das Covid-Virus in Minutenschnelle

Forscher der Universitäten Birmingham und Cambridge haben einen Film auf Zellulosebasis entwickelt, der das Covid-Virus innerhalb von Minuten inaktivieren und das Wachstum von Bakterien wie E. coli einschränken kann. In Zusammenarbeit mit dem in Cornwall ansässigen Unternehmen FiberLean Technologies (www.fiberlean.com), einem Spezialisten für Anwendungen aus mikrofibrillierter Cellulose (MFC), entwickelte das Team einen dünnen Film aus Cellulosefasern, der mit bloßem Auge nicht sichtbar, aber unter trockenen Bedingungen abriebfest ist. Dadurch eignet sie sich für Gegenstände wie Türgriffe oder Handläufe, die einer hohen Verkehrsbelastung ausgesetzt sind.

Anhand poröser mikrofibrillierter Cellulose, die von FiberLean für die Papier- und Verpackungsindustrie entwickelt wurde, stellten die Forscher fest, dass die Poren die Verdunstungsrate von Flüssigkeitstropfen beschleunigten und einen unausgewogenen osmotischen Druck über die Bakterienmembran erzeugten. Bei der Prüfung der Folie auf Oberflächenübertragung von SARS-CoV-2 stellte das Team eine dreifache Verringerung der Infektiosität fest, wenn virushaltige Tröpfchen fünf Minuten lang auf der Beschichtung verblieben, wobei die Infektiosität nach zehn Minuten auf Null sank.

Die antimikrobiellen Tests wurden mit Tröpfchen, die die Bakterien E. coli und S. epidermidis enthielten, wiederholt, wobei die Forscher nach einer Stunde und nach 24 Stunden eine „erhebliche Verringerung“ der Infektiosität feststellten. „Das Risiko einer Übertragung durch Oberflächen, im Gegensatz zu Aerosolen, geht von großen Tröpfchen aus, die infektiös bleiben, wenn sie auf harten Oberflächen landen, wo sie durch Berührung übertragen werden können“, so Professor Zhenyu Jason Zhang von der School of Chemical Engineering in Birmingham.

Diese Oberflächenbeschichtungstechnologie verwendet nachhaltige Materialien und könnte möglicherweise in Verbindung mit anderen antimikrobiellen Wirkstoffen eingesetzt werden, um eine langanhaltende antimikrobielle Wirkung durch langsame Freisetzung zu erzielen.

Die Forscher bestätigten die Stabilität der Beschichtung durch mechanische Schabtests, bei denen die Beschichtung im trockenen Zustand keine erkennbaren Schäden aufwies, sich aber im feuchten Zustand leicht von der Oberfläche entfernen ließ, so dass sie für die tägliche Reinigungs- und Desinfektionspraxis geeignet ist. Die University of Birmingham Enterprise hat gemeinsam mit FiberLean Technologies und der Cambridge University ein Patent für MFC angemeldet, die Viren durch Zerstörung der Lipidhülle des Virions unschädlich machen kann.

Quelle: ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 17, 20638-20648. Erscheinungsdatum: March 29, 2023. https://doi.org/10.1021/acsami.2c23251

Abb. 2: Die norwegische Kitemill hat einen neuen Rekord für Stromerzeugung aufgestellt

Energie vom Himmel?

Das norwegische Unternehmen für erneuerbare Energien Kitemill (www.kitemill.com) behauptet, dass es mit seinem Windenergiesystem aus der Luft einen neuen Ausdauerrekord aufgestellt hat. Bei der Windenergie aus der Luft (Airborne Wind Energy, AWE) werden drachenähnliche Geräte eingesetzt, um stärkere und gleichmäßigere Winde als Turbinen zu nutzen, wobei ein Halteseil die Zugkraft des Drachens auf einen Generator am Boden überträgt (Abb. 2). Das KM1-Pilotsystem von Kitemill legte vor kurzem während eines fünfstündigen Dauerbetriebs mehr als 500 km zurück und stellte damit angeblich einen neuen AWE-Rekord auf.

„Unsere Technologie hat trotz schwieriger Wetterbedingungen effizient und robust funktioniert“, sagte Thomas Hårklau, CEO von Kitemill. „In den fünf Stunden und 32 Minuten ununterbrochenen Betriebs war eine Landung aufgrund von schwachem Wind enthalten. Als der Wind auffrischte, startete der Drachen erneut und flog bis zum Sonnenuntergang. Am nächsten Tag flog der Drachen weitere drei Stunden, bevor er landete, und legte dabei eine Gesamtflugbahn von über 500 km mit einer durchschnittlichen Flügelbelastung von über 3.500 N zurück, was einem Flugzeug mit 350 kg Nutzlast entspricht. Das ist eine starke Leistung, die im Vergleich zum allgemeinen unbemannten Flugbetrieb auf der ganzen Welt einen beeindruckenden Maßstab setzt.“ Das 2008 gegründete Unternehmen Kitemill verwendet eine Segelflugzeugdrohne als „Drachen“ in seinem KM1-System, das sich beim Starten und Landen auf vier Propeller stützt. In der Luft sorgt die Bodenstation für eine optimale Energieerzeugung, indem sie den Drachen und die Winde steuert, wobei Sensoren am Drachen Datenpunkte für das Steuerungssystem liefern, um das Fluggerät zu steuern und auszubalancieren. Das Halteseil besteht aus geflochtenen Polyethylenfasern, die eine hohe Haltbarkeit bei gleichzeitig geringem Durchmesser gewährleisten, was für eine maximale Energieübertragung wichtig ist.

Laut Kitemill eignet sich AWE für viel mehr Standorte als herkömmliche Windenergie und benötigt deutlich weniger Materialien. Die Bodenstation für die KM1-Pilotanlage hat jedoch nur eine Leistung von 20 kW, was bedeutet, dass riesige Flotten von Drachen erforderlich wären, um die Leistung der stärksten Turbinen zu erreichen. Laut Kitemill kann AWE eine Alternative bieten, da die Standorte für Windparks immer knapper werden. Ein kürzlich von Kitemill in Auftrag gegebener Bericht der BVG schätzt, dass der kumulative weltweite Einsatz von AWE bis 2035 5 GW und bis 2050 177 GW erreichen könnte.

„Durch den Betrieb in Höhen zwischen 300 und 500 Metern sind wir in der Lage, große Gebiete mit hoher Windkraftkapazität zu erschließen und eine stabile Energieerzeugung zu gewährleisten“, so Hårklau. „Unsere Technologie ist daher an viel mehr Standorten rentabel als die etablierte Windtechnologie.“ Dies wird in den kommenden Jahren ein besonders wichtiger Faktor sein, da die Länder darum kämpfen, geeignete Standorte für Windparks zu finden. Darüber hinaus bietet AWE eine höhere Energiemenge pro Quadratkilometer mit einer etwa fünfmal höheren Energiedichte als herkömmliche Windkraft. Außerdem sind die Investitionskosten deutlich geringer – es werden nur 10 % der Materialien benötigt, die für Windturbinen mit derselben Leistung erforderlich sind. Ein weiterer beträchtlicher Vorteil sind die äußerst geringen Umweltauswirkungen. Da sie vom Boden aus kaum sichtbar sind, gibt es vom Bau bis zum Betrieb nur minimale Eingriffe in die Umwelt. Da weniger Investitionen an einen bestimmten Standort gebunden sind, kann die AWE-Technologie während ihrer Lebensdauer auch problemlos verlagert werden.

Abb. 3: Der erste autonome Busdienst im Vereinigten Königreich wurde im Mai in Betrieb genommen

Schottland führt autonomen Busverkehr ein

Am 15. Mai nahm ein autonomer Busdienst auf einer 20 km langen Strecke in Schottland seinen Betrieb auf. Die Flotte des CAVForth-Projekts, bestehend aus fünf autonomen Alexander Dennis Enviro200AV-Bussen, wird an sieben Tagen in der Woche auf der neuen Stagecoach-Strecke AB1 zwischen Fife und Edinburgh im 30-Minuten-Takt verkehren (Abb. 3).

Auf der Strecke, die über die Forth Road Bridge führt und sich aus Bundesstraßen, Autobahnen, Busspuren und Privatgrundstücken zusammensetzt, sollen wöchentlich 10.000 Fahrgäste befördert werden. Der SAE-Level-4-Bus fährt im gemischten Verkehr mit bis zu 75 km/h und muss Verkehrsmanöver wie Kreisverkehre, Ampelschaltungen und Spurwechsel auf Autobahnen bewältigen.

Die Busse nutzen CAVStar, das autonome Antriebssystem von Fusion Processing, das Daten von Sensoren wie Kameras, LiDAR und Radar zusammen mit künstlicher Intelligenz verarbeitet, um während der gesamten Fahrt optimale Effizienz zu gewährleisten. Darüber hinaus kann der Bus durch den direkten Empfang von Informationen aus Ampelsystemen seine Geschwindigkeit so planen, dass er reibungslos von einer grünen Ampel zur nächsten fahren kann, wodurch unnötiges Bremsen und Beschleunigen vermieden wird, was zu einem geringeren Verschleiß von Bremsen und Reifen beiträgt.

Obwohl die Busse autonom sind, wird in jedem Bus ein geschulter Sicherheitsfahrer zusammen mit einem sogenannten „Buskapitän“ eingesetzt. Dieser bewegt sich im Bus und plaudert mit den Fahrgästen.

Ein neuer Weg zu „blauem“ Wasserstoff und Ammoniak

Das US-amerikanische Energieunternehmen 8 Rivers behauptet, dass seine Technologie für blauen Wasserstoff und Ammoniak über 99 % des bei der Reaktion entstehenden CO₂ abfangen kann. Bei der als ⁸RH₂ bezeichneten Technologie handelt es sich um einen CO₂-Konvektionsreformer (CCR), der vom britischen Chemieingenieur Rodney Allam, einem der Pioniere des Allam-Fetvedt-Kreislaufs (AFC), entwickelt wurde. Nach Angaben von 8 Rivers baut ⁸RH₂ auf dem AFC auf, wobei Erdgas mit reinem Sauerstoff verbrannt wird. Das bei der Verbrennung entstehende CO₂ dient als Wärmeübertragungsmedium und kann so ohne Amin oder kryogene CCS-Methoden (Carbon Capture & Storage) abgeschieden werden. Nach Angaben von 8 Rivers wird dies die Produktion von blauem Wasserstoff mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt zu wettbewerbsfähigen Kosten in großem Maßstab ermöglichen.

Laut 8 Rivers kann der blaue Wasserstoff in kohlenstoffarmes Ammoniak umgewandelt werden, das für die Dekarbonisierung einer Reihe von Sektoren von entscheidender Bedeutung ist, da es viel einfacher zu transportieren und zu speichern ist als Wasserstoff. Auf die Ammoniakproduktion entfallen etwa 2 % des gesamten Endenergieverbrauchs und 1,35 % der weltweiten CO₂-Emissionen, wobei der überwiegende Teil des heutigen Ammoniaks durch Methan-Dampfreformierung von Erdgas (graue Wasserstoffproduktion) gewonnen wird, bei der keine Kohlenstoffabscheidung erfolgt.

Grünes Ammoniak – oder in diesem Fall blaues Ammoniak mit 99-prozentiger CO₂-Abscheidung – kann zur Herstellung von kohlenstoffarmem Dünger, kohlenstoffarmen Schiffskraftstoffen und als kohlenstoffarmer Brennstoff zum Ersatz von Kohle in der bestehenden Energieinfrastruktur verwendet werden. Ammoniak kann bei relativ bescheidenen Drücken von 10–15 bar gelagert werden und verfügt über ein weltweites Vertriebsnetz. Laut 8 Rivers stellt ⁸RH₂-produziertes Ammoniak eine transportable, kohlenstoffarme Wasserstoffquelle dar und kann nach dem Transport am Bestimmungsort leicht wieder zu H₂ umgewandelt werden.

In England wurde im Tyseley Energy Park in Birmingham mit dem Bau der angeblich größten und effizientesten grünen Ammoniak-Wasserstoff-Anlage der Welt begonnen. Nach ihrer Inbetriebnahme soll sie täglich 200 kg Wasserstoff in Transportqualität an die nahe gelegene Wasserstofftankstelle liefern. Das Projekt wurde vom Ammogen Consortium (www.ammogen.co.uk) entwickelt, einem multidisziplinären und multinationalen Team, das sich für die Weiterentwicklung der Wasserstoffversorgungsketten im Vereinigten Königreich und weltweit einsetzt. In der Anlage wird eine von H2SITE (www.h2site.eu/en) entwickelte Technologie eingesetzt, bei der H2 aus Ammoniak durch „Cracken“ gewonnen wird. Dabei wird Ammoniak in einem Hochtemperaturofen in Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten, woraufhin der Wasserstoff gefiltert und für die Verwendung als Kraftstoff gereinigt wird.