Energiewandler

Chemische Energie für den Antrieb

In der Mobilität tut sich vieles. Man liest und hört vor allem von Batterien und Wasserstoff. Nehmen wir Methanol genauer unter die Lupe.

Die meisten Autos sind heute noch mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet. Sie verbrauchen fossile Kraftstoffe. Lassen sich Benzin und Diesel einfach durch Methanol substituieren?
Ja, man kann den gleichen Verbrennungsmotor als Energiewandler nutzen und spezifisch auf Methanol umrüsten. Solche Autos gibt es bereits, zum Beispiel die Autos der Geely Auto Group aus China.

Der deutsche Ingenieur Roland Gumpert hat mit «Nathalie» ein Auto entwickelt, das mit Methanol und Brennstoffzelle anstelle eines Verbrennungsmotors fährt. Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie in elektrische Energie um. Ist diese Technologie wirtschaftlicher?
Bei dieser Technologie gibt es zwei Energieumwandlungen. Erstens von chemischer in elektrische Energie durch die Brennstoffzelle. Zweitens von elektrischer Energie in Antriebsenergie durch einen Elektromotor. Die Brennstoffzelle muss immer in Kombination mit Batterie und Elektromotor betrieben werden.

Um mit einer Brennstoffzelle Antriebsenergie herzustellen, braucht es zwei Wandlungsschritte. Trotzdem ist der Wirkungsgrad höher als bei einem Verbrennungsmotor mit nur einem Wandlungsschritt. Es gibt also mehr Nutzenergie in Form von Antrieb und weniger Verlustenergie in Form von Wärme.

Wie schneidet ein Methanol-Brennstoffzellen-Auto im Vergleich mit Elektroautos ab?
Da beim reinen Elektroauto der Energiewandler «Brennstoffzelle» wegfällt und der Strom direkt von der Batterie über den Elektromotor in Antrieb umgewandelt wird, ist der Wirkungsgrad eines E-Autos höher.

Es gibt jedoch ein Aber: Mit dem chemischen Energieträger Methanol lässt sich viel mehr Energie speichern und damit mitnehmen als in einer Batterie. Somit ist die Reichweite grösser als beim reinen E-Auto.

Elektroautos werden gerade wegen dem hohen Wirkungsgrad gefördert. Gibt es Grenzen?
Die Reichweite ist eine Grenze. Obwohl Batterien immer mehr Energie speichern können und sich damit die Reichweite verlängert, bildet das Aufladen den Flaschenhals. Eine Ladung wird immer mehr Zeit brauchen als das Umwandeln von chemischen Energieträgern. Das heisst, auf langen Strecken, die beispielsweise Lastwagen oder Schiffe zurücklegen, ist der Einsatz von chemischen Energieträgern von Vorteil. Für Verkehrs- und Frachtflugzeuge gibt es als alternativen Kraftstoff nur synthetisches, grünes Kerosin.

Bis jetzt haben wir nur den Wirkungsgrad Tank-to-Wheel, also vom Tank bis zum Rad, erwähnt. Fairerweise muss man für eine objektive Aussage auch den Wirkungsgrad von der Quelle wie Sonne, Wind und Wasser bis zum Tank oder zur Batterie bewerten. Ergibt sich dabei ein anderes Bild?
Elektroautos haben beim Wirkungsgrad die Nase vorn, wenn die Quelle elektrischer Strom ist. Wasserstoff und Methanol haben einen niedrigen Wirkungsgrad, sind aber in etwa gleichauf.

 

Chemische Energie für die Wärme

Wechseln wir die Nutzenergie. Wie sieht es aus bei «chemischer Energie zu Wärme»? Welche Energiewandler sind da etabliert?
Im Wohnungsbereich lassen sich die heutigen Öl- oder Erdgasheizungen mit Anpassungen auch mit grünem Methanol betreiben. In der Industrie werden mehr Wärme und höhere Temperaturen gebraucht. Dort kann man Industriebrenner mit grünem Methanol nutzen.

 

Chemische Energie für die elektrische Energie

In der Schweiz hat die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie keine grosse Bedeutung, weil wir keine Kohle- oder Ölkraftwerke und nur ein paar Erdgaskraftwerke haben. Die Umwandlertechnologie hingegen könnte man doch in Zukunft mit grünen Energieträgern wie Methanol nutzen?
Ja, man kann Methanol wie Erdgas, Diesel oder Kerosin in Gasturbinen verbrennen – einfach mit besseren Abgaswerten. Es gibt Mikrogasturbinen ab einem Kilowatt für den Kleinverbrauch, es gibt jedoch auch industrielle Gas- und Dampfkraftwerke von mehreren hundert Megawatt Leistung. Zum Vergleich: Das abgeschaltete AKW Mühleberg hatte eine Leistung von 370 Megawatt.

Bei Biogasanlagen werden auch stationäre Verbrennungsmotoren verwendet, es sind ausserdem zunehmend stationäre Brennstoffzellen im Gespräch.

Die Nutzenergie ist Strom. Die Abwärme wird wohl genauso gross sein wie bei den AKW. Also doch wieder eine Frage des Wirkungsgrades?
Je kleiner das thermische Kraftwerk, desto geringer der Wirkungsgrad und desto weniger Stromanteil. Der Hauptanteil ist Wärme, die sinnvollerweise genutzt wird – zum Beispiel in Blockheizkraftwerken. Bei diesen ist sowohl Strom als auch Wärme die Nutzenergie.

Bei den grossen Gas- und Dampfkraftwerken wird mehr elektrische Energie als Wärme abgegeben. Der Wirkungsgrad liegt bei 60 Prozent. Zum Vergleich: Ein AKW hat einen Wirkungsgrad von 35 Prozent.