Status und Perspektiven - SNI-Portal
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Brennstoffzelle<br />
Energie +<br />
H 2<br />
O<br />
O 2<br />
Photoelektrolyse<br />
H 2<br />
-<br />
Speicherung<br />
O 2<br />
H 2<br />
Energie <strong>und</strong> Umwelt<br />
Es ist unbestritten, dass sich eine wachsende Erdbevölkerung<br />
das Verbrennen fossiler Energieträger zur Energiegewinnung<br />
im großen Maßstab nicht mehr lange<br />
leisten kann. Nicht nur gehen die leicht ausbeutbaren<br />
Vorräte - zumindest die Vorräte an Erdöl – allmählich<br />
zur Neige; auch die CO 2<br />
-Akkumulation in der Atmosphäre<br />
birgt ungeheure Risiken. Weltweit wird der<br />
Einsatz der Wasserstoff-Technologie als ein Ausweg aus<br />
dieser Situation angesehen. Ein idealer Wasserstoff-Zyklus<br />
kann in drei Stationen gegliedert werden: nämlich<br />
Elektrolyse des Wassers mit Photovoltaik, Speicherung<br />
des Wasserstoffs <strong>und</strong> schließlich seine Verbrennung in<br />
einer Brennstoffzelle. Der Zyklus ist in Abbildung 3.8<br />
skizziert.<br />
Gashydrate<br />
Methan-Clathrate, die in riesigen Mengen im Sediment<br />
von Ozeanrändern vorkommen, erregen seit Kurzem<br />
große Aufmerksamkeit als mögliche fossile Energiequelle<br />
(s. Abb. 3.9). Clathrate sind Einschlussverbindungen,<br />
in denen Gastmoleküle Käfi ge aus Wasser stabilisieren.<br />
Sie sind nur in einem bestimmten Druck- <strong>und</strong><br />
Temperaturbereich stabil. Unter Umweltgesichtspunkten<br />
ist es von größter Bedeutung, diese Stabilitätsbereiche<br />
genau zu kennen. Neutronen mit ihrer speziellen Empfi<br />
ndlichkeit für Wasserstoffatome <strong>und</strong> ihrer Fähigkeit,<br />
komplexe Probenumgebungen (Druckzellen, Kryostate)<br />
zu durchdringen, sind für diese Untersuchungen das<br />
Mittel der Wahl.<br />
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<br />
Anode<br />
Brennstoff<br />
H 2<br />
(Gas)<br />
-<br />
<br />
<br />
+<br />
<br />
Kathode<br />
O 2<br />
(Gas)<br />
N 2<br />
(Gas)<br />
H 2<br />
O (Gas)<br />
N 2<br />
(Gas)<br />
Abb. 3.8. Der Wasserstoff-Zyklus (oben), Lade- <strong>und</strong><br />
Entladevorgänge in Metallhydrid-Speichern (Mitte),<br />
Prinzip der Brennstoffzelle (unten).<br />
Wasserstoff-Technologie<br />
Alle drei Stationen des Wasserstoffzyklus bedürfen<br />
noch großer Forschungs- <strong>und</strong> Entwicklungsanstrengungen.<br />
Neutronen tragen dazu Entscheidendes bei,<br />
insbesondere bei den beiden letzten Stationen: der<br />
Wasserstoffspeicherung <strong>und</strong> den Brennstoffzellen. Als<br />
Wasserstoffspeicher kommen Metallhydride (Metall-<br />
Wasserstoff-Verbindungen) in Frage. Aus Gründen der<br />
Gewichtsersparnis bei mobilem Einsatz (z. B. im Auto)<br />
sind dabei leichte Metalle wie Magnesium besonders<br />
attraktiv. Neutronen sind eine ideale Sonde zur Untersuchung<br />
solcher Hydridspeicher mit Streuexperimenten.<br />
Lade- <strong>und</strong> Entladevorgänge, wie in Abb. 3.8 (Mitte)<br />
skizziert, können daher mit Neutronen in in-situ-Experimenten<br />
direkt verfolgt werden. Bei der letzten Station<br />
des Wasserstoffzyklus, der Brennstoffzelle, liegt der<br />
Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten bei den Wasserstoff-<br />
<strong>und</strong> Sauerstoff-Ionen-leitenden Elektrolytmembranen<br />
(s. Abb. 3.8 unten). Diese werden aus speziellen<br />
Polymeren hergestellt. Zur genauen Untersuchung der<br />
Vorgänge in Brennstoffzellen sind Neutronen ebenfalls<br />
unerlässlich. Ein guter Teil der Messzeiten an<br />
Neutronen-Tomographieanlagen wird von Entwicklern<br />
der Brennstoffzellen aufgekauft; der Wasserzyklus in<br />
den Zellen lässt sich mit Neutronen sehr gut verfolgen.<br />
Das enorme fi nanzielle Interesse erlaubt derzeit aber<br />
nur sporadische Veröffentlichungen der gewonnenen<br />
Ergebnisse.<br />
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Abb. 3.9. Gashydrate treten in der Natur<br />
meist im Meeresboden auf, z. B. als Gashydrat-Sediment-Wechsellagen<br />
(oben<br />
rechts).<br />
Brennendes Eis - das Gas im Hydrat macht<br />
dieses Paradoxon scheinbar möglich (oben<br />
links).<br />
Mit Neutronen werden Struktur <strong>und</strong><br />
Dynamik von Gashydraten untersucht,<br />
siehe Beugungsdiagramm. Die oberen<br />
Markierungen bezeichnen die Reflexe der<br />
Hydratstruktur, die untere Kurve zeigt die<br />
Differenz von beobachtetem <strong>und</strong> berechnetem<br />
Profil (unten).<br />
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