Carbazol: Das elektrische Benzin?

10. Dezember 2013, 14:35 Uhr
Carbazol: Das elektrische Benzin?
Carbazol: Das elektrische Benzin?

Ein neuartiger Kraftstoff könnte eine Alternative zu Batterien als Energieträger darstellen und dem Wasserstoffantrieb zum Durchbruch verhelfen.

 

Dieses Ziel verfolgen die Universität Erlangen-Nürnberg, das Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials der Uni Erlangen-Nürnberg und der Energie Campus Nürnberg mit der Suche nach einer Mobilitätsoption, die die Speicherung der Energie in flüssigen Stoffen vorsieht und damit kompatibel mit der heutigen Benzin/Diesel Versorgung ist. Diese so genannten Energie tragenden Stoffe (ETS) werden im Kreis geführt und selbst nicht verbraucht. Das unterscheidet sie von dem heutigen System der Kraftstoffe.

 

In Nürnberg wird derzeit die Substanz N-Ethylcarbazol als Energie tragende Flüssigkeit beforscht, die sich mit Wasserstoff quasi aufladen lässt: Durch die Aufnahme von Wasserstoff  wird die Flüssigkeit chemisch in eine energiereiche „Perhydro-Form“ umgesetzt.

 

In der Anwendung im Fahrzeug  wird aus dieser energiereichen Form Wasserstoff chemisch abgespalten und als Treibstoff für einen Brennstoffzellen-Elektroantrieb oder einen Verbrennungsmotor verwertet. Beim Tanken wird das „entladene“ (wieder energiearme) Carbazol einfach abgepumpt und durch frisches (energiereiches) ersetzt. Für den Autofahrer ändert sich beim Tanken nur die Form der Zapfpistole. Das „verbrauchte“ Carbazol wird in der Tankstelle gesammelt und später wieder regeneriert – am besten unter Verwendung regenerativer Energiequellen.

 

Die neue Technik konkurriert mit der bereits verfügbaren Technologie der 700-bar-Hochdruck-Speicherung reinen Wasserstoffs im Fahrzeug. Für die neue Technologie spricht, dass die bestehende Tankstellen-Infrastruktur genutzt werden kann. Es ist auch kein Druck notwendig, die Substanz N-Ethylcarbazol ähnelt Diesel in vielen Eigenschaften. In einem Liter N-Ethylcarbazol kann fast doppelt so viel Wasserstoff (54 Gramm) gespeichert werden wie im gleichen Volumen eines 700-bar-Wasserstofftanks. Auch die Reichweite und Leistung würde der heutiger Fahrzeugen entsprechen.

 

Die Technologieentwicklung an der Uni Erlangen-Nürnberg wird von den Professoren Arlt und Wasserscheid geleitet. Sie haben ein Konsortium mit Firmen gebildet, das aus Fahrzeugherstellern, der deutschen Chemie, einem Energieversorger, einer Elektrofirma und einem Gasproduzenten besteht. Energie tragende Stoffe wie Carbozol können auch für die Stabilisierung der elektrischen Netze und für die Energiespeicherung im Solarstromhaus eingesetzt werden.

Die Förderung eines Vorprojektes zur Evaluierung dieser Technologie  wurde beim Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung in Aussicht beantragt.

 

Ein paar Fakten zum Thema:

Interessant ist der Vergleich des Energieinhalts (genauer: des unteren Heizwerts) von Energieträgern – immer pro Kilogramm (Liter ist eine unangenehme Einheit, die Daten der Stoffe pro Volumen ändern sich mit dem Druck und der Temperatur). Hier die Daten (in kWh/kg):

 

Wasserstoff              37

Flüssiggas                 13

Superbenzin              12

Diesel                        11,8

Methanol                     6,2

"Carbazol"                   1,9

Li-Ionen-Batterie ca.   0,3 (abhängig vom Typ)

 

Damit wird klar, warum Benzin und Diesel nicht so leicht durch Stromspeicher zu ersetzen sind. Diese Tabelle berücksichtigt aber nicht den Wert der Energie. Der ist bei der Batterie und Wasserstoff deutlich höher als bei Superbenzin. Die Energie aus einer Batterie ist vielleicht doppelt so wertvoll wie die aus Wasserstoff. Den Wert nennen Wissenschaftler "Exergie".

Nun wird deutlich, warum Wasserstoff ein so guter Treibstoff ist: hoher Energieinhalt pro kg und hoher Wert. Das Problem ist nur die Speicherung, selbst bei Raumtemperatur und 700 bar Druck (für den Laien unvorstellbar hoch, in der Technik, z.B. in der Chemieindustrie aber problemlos beherrscht) sind nur knapp 40 kg Wasserstoff in einem Volumen von 1 Kubikmeter. In einem Kubikmeter "Carbazol" sind hingegen gut 58 kg Wasserstoff, also etwa 50 % mehr Wasserstoff als in einem 700-bar-Druckspeicher - und das ganz ohne Druck. Das gibt einen energetischen Vorteil (kein Komprimieren des Wasserstoffs), einen Gewichtsvorteil (kein zylindrisches Druckgefäß) und einen Sicherheitsvorteil (in "Carbazol" ist Wasserstoff chemisch gebunden wie in Wasser [H2O]).

Rechnet man Energieinhalt und Wert von "Carbazol" ein, braucht ein Auto doppelt so viel "Carbazol" wie Superbenzin pro 100 km und daher einen größeren Tank. Es entsteht nur Wasser bei der Fahrt, das "Carbazol" verbleibt in seiner energiearmen Form im Auto und wird nicht verbrannt. Daher die Bezeichnung „Energie Tragender Stoff“ (ETS) für Stoffe wie "Carbazol".

An der Tankstelle wird die energiearme Form gegen die energiereiche getauscht - ein perfekter Kreislauf. Aus der energiearmen wird am besten dort wieder die energiereiche Form hergestellt, wo viel umweltfreundliche (elektrische) Energie vorhanden ist, Beispiele sind Windräder, Solarparks oder auch künftige thermische Solarkraftwerke in der Sahara. Der Nebeneffekt ist, dass in Zukunft nicht so viele zusätzliche Stromleitungen gebaut werden müssen. Diese Kopplung ist sehr vorteilhaft, macht aber die Schätzung der Kosten für einen Liter „aufgeladenes Carbazol" schwierig. 

Um 1 kg "Carbazol" von energiearm zu -reich aufzuladen, sind mit heutiger Technik 2,8 kWh an elektrischer Energie einzusetzen (der Unterschied zu 1,9 in der Tabelle oben sind "Verluste"=Wärmeentwicklung).

 

Quelle: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Arlt

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