Karl Brodowskys Blog

Es gibt einige wichtige Prozesse in der Industrie, die in sehr große Umfang durchgeführt werden und die sehr energieintensiv sind. Zement, Stahl, Aluminium und Ammoniak sind nur Beispiele, es gibt natürlich noch mehr… Und ja, diese Grundstoffindustrien bzw. deren Produkte werden in großen Mengen gebraucht. Wenn wir Energie- und Verkehrswende voranbringen, muss z.B. auch viel gebaut werden. Und um Züge und Fahrräder zu bauen, braucht u.a. man Stahl und Aluminium. Für Elektroautos noch mehr. Ammoniak ist Grundstoff für vieles in der chemischen Industrie, insbesondere für Kunstdünger. Ohne Ammoniak-Industrie wäre es nicht möglich, die Weltbevölkerung zu ernähren.

Die Frage stellt sich, was mit diesen Prozessen bei einer Energiewende passieren soll.

Fangen wir mal beim Aluminium an. Aluminium wird hergestellt, indem man ein Aluminiumsalz (oder -erz, die Benennung ist eine Frage der Chemie-Theologie) schmilzt und elektrolysiert. Das heißt, man leitet Gleichstrom mit einer relativ niedrigen Spannung und sehr großer Stromstärke ein und an einer Elektrode entsteht flüssiges Aluminium und an der anderen entsteht Sauerstoff oder Chlor oder Fluor oder was auch immer in dem „Salz“ oder „Erz“ steckt. Meines Wissens arbeitet man auf Basis von Bauxit und damit Aluminiumoxid. Die Idee, in Wasser gelöste Aluminium-Salze für die Elektrolyse zu verwenden, funktioniert leider nicht, denn dort bildet sich Wasserstoff statt Aluminium.

Die Hohe Temperatur von geschmolzenem Salz oder geschmolzenem Metall hat gewisse „Nachteile“. Flüssiges Metall ist ein sehr gutes „Lösungsmittel“, also würden sich metallische Elektroden darin lösen. Es bleiben letztlich nur Kohleelektroden als Alternative. Die Kohleelektrode, an der sich Sauerstoff bildet, verbrennt in dem reinen Sauerstoff. Die Verbrennungsenergie kommt dabei zumindest teilweise dem Elektroleseprozess zugute. Aber die Verbrennung der Kohle reicht nicht aus, um Aluminium zu reduzieren, man braucht zusätzlich noch Strom. Grob vereinfacht ist es diese chemische Reaktion:

Das ganze ist sicher ein spannendes Thema, was da alles passiert, aber aus Umweltsicht ist die heutige Aluminiumproduktion zwingend ein großer -Emittent, selbst wenn die riesigen Strommengen natürlich fast immer aus kostengünstiger Wasserkraft stammen, sonst wäre es ja nicht bezahlbar.

Wie kann man das in einer fernen Zukunft ändern, wenn es keine Verbrennungskraftwerke mehr gibt und die erneuerbaren Energien und eventuell Kernenergie und Fusionsenergie genug Strom für alles, was wir heute haben plus für die Ersetzung von fossilen Energieträgern bei Heizung, Verkehr und Industrie liefern?
Ein offensichtlicher Weg wäre es, aus mit elektrischer Energie Kohlenstoff herzustellen. Am besten geht das, indem man das hochkonzentrierte direkt an der Quelle auffängt. Das kann dann z.B. über den Umweg von Wasserstoff geschehen und dann über weitere chemische Prozesse. Man kann sich aber auch vorstellen, dass aus nachwachsenden Rohstoffen eine Art „Holzkohle“ erzeugt werden. Vielleicht gibt es noch andere Ideen. Die andere Richtung, in die man denken könnte, ist ob man vielleicht doch einen anderen Prozess zur Aluminiumherstellung finden kann, der in dieser zukünftigen Welt insgesamt energieeffizienter und kostengünstiger ist.

Bei Stahl war meine erste Idee, warum macht man es nicht wie beim Aluminium? Das beantwortet sich fast von selber mit der Erklärung der Aluminium-Produktion. Die Elektroden müssten auch dort aus Kohle sein, würden sich auch dort verbrauchen. Man hätte also erst einmal nichts gewonnen, außer dass man zusätzlich Strom verbraucht, der eigentlich gar nicht nötig ist, weil die entsprechende chemische Reaktion im Hochofen schon ohne Zusatz von Elektroenergie von selber abläuft. Die Frage ist, ob man mit einer Art Hochofen, der ähnlich wie eine Aluminiumfabrik funktioniert, den Kohleverbrauch verringern könnte, aber dafür sehe ich im Moment keine Anzeichen. Im Gegensatz zum Aluminium kann man aber die Kohle beim Hochofen durch Wasserstoff ersetzen, der sich einfacher mit Strom aus erneuerbarer Energie erzeugen lässt als Kohlenstoff. Es scheint aus heutiger Sicht der Weg für die Stahlproduktion der Zukunft. Vielleicht wird es auch hier noch bessere Ideen geben.

Zementherstellung braucht viel Energie. Die Ausgangsstoffe müssen im Drehofen auf 1400 Grad erhitzt werden. Das könnte man mittels Spiegeln direkt mit Sonnenenergie machen, oder mittels elektrischer Heizung. Oder mittels Wasserstoff. Aber bei dieser Temperatur findet eine chemische Reaktion statt, die große Mengen freisetzt und die essenziell für die Zementherstellung ist. Wie beim Aluminium könnte man das auffangen und zurück in Kohle verwandeln. Das ganze geht aber nicht ganz auf, denn in der Gesamtbilanz würde es am Ende als enden, wenn diese Kohle wieder verbrannt wird, da der Zementherstellungsprozess wirklich pro Tonne Zement eine bestimmt Menge Kohlenstoff in Form von als Abfallprodukt übrig lässt. Hier eine Lösung zu finden ist also schwieriger als bei Stahl und Aluminium. Im Extremfall könnte man als Abfallprodukt Kohle produzieren und in den Braunkohlelöchern deponieren….. Ich denke, dafür muss man noch Antworten finden, die real funktionieren. Im Moment ist angesagt, die Prozesse zu verbessern und den Zementbedarf zu reduzieren durch geschickten Einsatz von „-ärmeren“ Baustoffen, wo das sinnvoll möglich ist. Eine Idee ist Celitement. Eine andere ist Biorock. Realistisch würde ich sagen, es wäre ein großer Erfolg, wenn man damit einen Teil des Zements ersetzen könnte.

Ammoniak wird aus Wasserstoff und Stickstoff hergestellt. Der Prozess braucht viel Energie, die natürlich auch aus erneuerbarer Energie stammen kann. Und wenn es genug erneuerbare Energie gibt, gehen wir ja davon aus, dass Wasserstoff leicht verfügbar ist.

Ganz generell sollte man darüber nachdenken, ob man reine Wärmeenergie in Industrieprozessen wirklich durch Verheizen von Elektrolysewasserstoff oder durch direkte Stromheizung gewinnen will oder ob es effizientere Wege gibt, zumindest für die Zeiten, in denen die Sonne scheint.

Das bizarre ist: Wenn man diese Ideen (oder noch bessere Ideen), die für die Zukunft absolut sinnvoll und notwendig werden könnten, schon heute umsetzt, ist es kontraproduktiv, weil man dann mehr Strom braucht und damit die Kohle- und Gaskraftwerke mehr laufen müssen. Bevor die Kohlekraftwerke weg sind, sollte man also diese Prozesse entwickeln und erforschen, aber die generelle Umsetzung immer erst dann verfolgen, wenn der Zeitpunkt da ist, wo es mehr nützt als schadet.

Die Kernenergie in der heutigen Form kann eine nützliche Technologie sein, um heute Treibhausgasemissionen zu verringern. Aber wie Kohle, Gas und Öl sind die Vorräte an spaltbarem, wirtschaftlich abbaubarem Uran begrenzt und würden bestenfalls ein paar Jahrzehnte halten, wenn die ganze Welt eine Energiewende in Richtung Kernenergie verfolgen würde.

Man sollte aber dabei zweierlei beachten. Die heutige Kernenergienutzung basiert auf Anreicherung. Es wird das spaltbare Isotop U-235 angereichert und dann auch im Kernkraftwerk verbraucht und das überwiegende U-238 ist Abfall. Oder es wird von mindestens einer Armee in Munition eingebaut, weil es schön schwer und billiger als Gold ist. Ja nach Aufarbeitung der Kernbrennstäbe nach der Nutzung kann man restliches U-235 und Plutonium aus den Stäben gewinnen und anreichern und damit erneut Kernkraftwerke betreiben, womit man die Reichweite der Uranvorräte etwas verlängern kann. U-238 fängt im Reaktor Neutronen ein und wandelt sich dann in spaltbares Plutonium, aber nur zu einem kleinen Teil.

Nun gab es Ideen, diesen Prozess verstärkt zu nutzen und einen größeren Teil des U-238 in Plutonium zu verwandeln und dadurch nutzbar zu machen. Prototypen waren Brutreaktoren, z.B. schnelle Brüter,
die auch gebaut wurden, aber es sind letzlich nur Prototypen, die z.T. bereits wieder außer Betrieb genommen wurden oder deren Projekte schon vor der Inbetriebnahme gestoppt wurden. Ähnlich ist es möglich, auf Basis von Thorium Reaktoren zu bauen, die Thorium in spaltbares Material umwandeln. Allein durch Nutzung von U-238 lässt sich die Reichweite der Vorräte auf das 50-fache erhöhen. Nimmt man Thorium hinzu, würde es sogar auf das 200-fache hinauslaufen, weil die Thorium-Vorkommen etwa dreimal so groß sind wie die Uranvorkommen.

Nun gibt es aber ein Vorkommen von Uran, das praktisch „unbegrenzt“ ist. Uran ist in geringen Mengen im Meerwasser enthalten. Die Idee ist nicht neu. Japan wollte schon in den 1970er oder 1980er Jahren diesen Weg entwickeln, um völlig unabhängig von Importen eine fast unbegrenzte Energiequelle zu haben. Wie die Treibhausgase in der unbegrenzten Atmosphäre durch intensive Emissionen dann doch zunehmen, mit schlimmen Wirkungen, kann man annehmen, dass der Anteil des Urans im Meerwasser sich durch menschliche Aktivitäten über lange Zeit geringfügig verringern könnte. Aber auch Solar- und Wind- und Wasserkraft benötigen irgendwelche Rohstoffe für die Erstellung, deren Recycling nicht 100% perfekt funktioniert. Von daher kann man die Kernenergie unter dem Aspekt der „unbegrenzten Verfügbarkeit“ auf eine Stufe mit den erneuerbaren Energien stellen, wenn es in der Praxis gelingt, große Mengen Uran aus dem Meerwasser zu extrahieren und damit Kernkraftwerke zu betreiben, insbesondere, wenn man zusätzlich auf Brütertechnologie setzt.