Synthetische Kraftstoffe

Mobil ohne Erdöl

„Das Elektroauto!“ — so die verbreitetste Antwort auf die Frage, wie denn individuelle Mobilität im postfossilen Zeitalter erfolgen solle. Produkte wie Elon Musks Tesla scheinen diese Vorstellung zu bestätigen. Doch batteriegetriebene Wagen haben eine Reihe kritischer Nachteile.

Eine kleine Rechenaufgabe, die zum Beispiel Physiklehrer ihren Schülern stellen können, zeigt, wo das Problem liegt. Die Frage lautet: Welche Leistung (gemessen als Heizwert pro Sekunde) kommt aus einer Tankstellen-Zapfsäule? Da diese Säulen ca. 35 l/min ausgeben, und ein Liter Benzin 30 MJ enthält, ergibt sich eine Leistung von sage und schreibe 17.5 Megewatt!! Selbst wenn nur einmal pro Stunde ein Tank (80 l) gefüllt wird (was bei Autobahntankstellen eine massive Untertreibung darstellt), muss eine Tankstelle eine zeitgemittelte Leistungsabgabe von 0.7 MW bereitstellen, entsprechend der Aufnahme einer kleineren E-Lok.

Es ist kaum verblüffend, dass das Aufladen eines E-Auto-Akkumulators deutlich längert dauert als das Volltanken eines Benziners oder Diesels und das E-Auto auch eine geringere Reichweite aufweist.

Hinzu kommt, dass Batterien die zur Energiefreisetzung benötigten Reaktionspartner beide enthalten müssen, während bei Verbrennungsmotoren einer von beiden (Sauerstoff) aus der Luft entnommen wird. Daher geht von Akkumulatoren (insbesondere Lithium-Ionen-Akkus) eine nicht zu unterschätzende Explosionsgefahr aus.

Herstellung und Entsorgung der Batterien sind kompliziert von umweltschützerischem Standpunkt, da mit toxischen und ätzenden Substanzen hantiert werden muss.

Gibt es also Alternativen zum E-Auto, wenn es darum geht, ohne Erdölverbrauch auf der Straße unterwegs zu sein? Zum Glück ja — und der DFR kann dabei helfen.

Wasserstoff

Spätestens seit Arnold Schwarzenegger mit einem H2-SUV durch Los Angeles rumpelte, gilt das leichteste Element als möglicher Zukunftskraftstoff. Aus den Meeren kann es durch Wasserspaltung in unbegrenzter Menge gewonnen werden, Verbrennungsprodukt ist wieder Wasser: ein geschlossener Kreislauf. Erforderlich ist eine starke Energiequelle: die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff ist ein endothermer Prozess — die bei der Knallgasreaktion freiwerdende Energie muss hineingesteckt werden. Wasserstoff ist ein Energieträger, keine Energiequelle, denn auf der Erde kommt er kaum frei vor.

Der DFR ist eine ausgezeichnete Energiequelle zur Wasserstoffproduktion — via HOT ELLY-Prozess (elektrothermisch) oder Schwefel-Iod-Zyklus (thermisch bei 830 °C) macht er die Erzeugung aus Wasser günstiger als die heute noch übliche Erdgasspaltung.

Doch Wasserstoff als Fahrzeugtreibstoff wirft auch Probleme auf: insbesondere ist er hochflüchtig! Die winzigen H2-Moleküle diffundieren durch fast jedes Metall. Moderne Werkstoffe können diesem Effekt entgegenwirken, nichtsdestotrotz sind große Druck- oder Kryotanks erforderlich. Kompression und/oder Verflüssigung erfordern größenordnungsmäßig soviel Energie wie die Herstellung des Wasserstoffs selbst. Aus diesen Gründen scheinen industrielle Anwendungen sinnvoller, z. B. Nutzung zur Eisenerzreduktion, anstelle von Koks. Um Fahrzeugtanks zu füllen, ist es viel günstiger, eine Substanz zu haben, die bei auf der Erde üblichen Bedingungen — 20 °C, 1 bar — flüssig oder nahezu flüssig ist. Mithilfe nachgeschalteter Verarbeitungsstufen lässt sich der Wasserstoff zur Verflüssigung anderer Elemente einsetzen: Man spricht von XtL-Kraftstoffen — Substanz X-to-Liquid (Verflüssigung von Substanz X).

Coal-to-Liquid: synthetisches Benzin

DFR-Prozesswärme verwandelt Kohle via Fischer-Tropsch-Prozess in Benzin oder Dieselöl. Bislang war auf diese Weise hergestellter Treibstoff deutlich teurer als aus Mineralöl gewonnener, doch die extrem preiswerte Energie aus dem DFR macht hier den entscheidenden Unterschied.

Soll auf den Einsatz von Kohle verzichtet werden, um Kohlendioxidemissionen zu vermeiden oder weil sie nicht zur Verfügung steht, so kann das Synthesegas — ein Gemisch von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das beim Fischer-Tropsch-Prozess als Zwischenprodukt auftritt — auch durch Plasmarecycling aus kohlenwasserstoffhaltigen Abfällen erzeugt werden kann: Haus- und Industriemüll, land- und forstwirtschaftliche Abfälle, Klärschlamm, etc. In einem Plasmakonverter werden die zerkleinerten Abfälle mit Lichtbögen auf mehrere 1000 °C erhitzt, wodurch sie in ihre elementaren Bestandteile zerfallen. Unten im Konverter setzt sich metall- und silikathaltige Schlacke ab — Rohstoffe für erneute Verwendung in der Industrie —, oben entweicht das Syngas.

Strom für den Plasmabogen ist in der Nähe eines DFR keine Mangelware, und die hohe Prozesstemperatur kann das Abfallgemisch noch zusätzlich mittels Heißgaslanze erwärmen. Das Syngas lässt sich via Fischer-Tropsch-Prozess zu flüssigen Kohlenwasserstoffen weiterverarbeiten.

Der Plasmakonverter wird mit der Energie aus dem DFR zu einer kostengünstigen Alternative zu Giftmüllendlagern, wie Herfa-Neurode, da (halogen-) organische Gifte vernichtet werden können.

Nitrogen-to-Liquid: Ammoniak und Hydrazin

Aus Wasserstoff und Luftstickstoff lässt sich unter Einsatz von DFR-Prozesswärme via Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak (NH3) gewinnen. Dieses Gas lässt sich in Kolben- und Turbinenmotoren als Treibstoff einsetzen, wobei, im Gegensatz zu Wasserstoff, nur schwach druckbeaufschlagte Tanks (10 bar) notwendig sind. Alternativ kann der Ammoniak auch zu Hydrazin weiterverarbeitet werden.



Ein Ammoniak-Bus. (Quelle)

Hydrazin (N₂H₄) kennt man aus der Raumfahrt. Aber es vermag nicht nur Raketen anzutreiben. In Kolben- oder Turbinenmotoren brennt es ebensogut wie Benzin oder Kerosin, lediglich die Einspritz- und Zündpunkte müssen angepasst werden, ähnlich den Modifikationen für Autogas. Der ca. halbierte Brennwert wird durch Wasserbeimischung ausgeglichen — der entstehende Dampf erhöht die Druckdifferenz, die die Kolben oder Turbinenschaufeln bewegt.



Wie ein Hydrazin-Auto aussehen könnte.

Mittels DFR-Wärme wird es aus Wasserstoff und Luftstickstoff preisgünstig hergestellt; bei der Verbrennung sind die einzigen Produkte Stickstoff und Wasserdampf. Die Substanz selber ist zwar toxisch, doch bei Freisetzung zerfällt sie nach kurzer Zeit, im Gegensatz zu Mineralölprodukten, die die Umwelt langfristig zu belasten vermögen. Betankung erfolgt über einen Kupplungszapfhahn wie bei Autogas. Riesige Erdöltankschiffe und Pipelines gehören dann schon bald der Vergangenheit an — wenn neben jeder Stadt ein kleines nukleares Prozesswärmewerk Hydrazin für die Kunden vor Ort produziert!

Außer Umrüstung klassischer Verbrennungsmotoren ist noch eine weitere, effizientere Nutzungsform möglich: Hydrazin-Brennstoffzellen. Obwohl sie auch Strom für einen elektrischen Antrieb erzeugen, haben sie wenig mit Batterien gemeinsam. In Brennstoffzellen findet, wie der Name sagt, eine chemische Verbrennung statt, nur dass der Elektronentransport von Reduktor zu Oxidator mithilfe von Membranen über eine makroskopische Strecke auseinandergedehnt wird, so dass sich eine Spannung aufbaut und Strom fließt. Die bekanntesten Brennstoffzellen arbeiten mit Wasserstoff. Diese sind jedoch sehr teuer, da sich in ihnen aggressive Säure bildet, weswegen die Elektroden mit Platin beschichtet werden müssen. Hydrazinzellen dagegen enthalten eine basische Flüssigkeit, die viel weniger reaktionsfreudig ist, so dass Nickel- oder Kobaltelektroden genügen. In der Anschaffung ist ein Hydrazin-Brennstoffzellenauto nicht teurer als ein Mittelklasse-Diesel. Ferner ist der Wirkungsgrad ca. 2.5-mal höher als bei einem Kolbenmotor. Bei halbem Brennwert ergibt sich pro Tankfüllung 25% mehr Reichweite. Bei nuklearer Herstellung des Hydrazins wird die Fahrweite pro Euro sogar verdoppelt.

Auch Ammoniak-Brennstoffzellen wurden bereits getestet.

Man erhält also ein preiswertes Auto mit hoher Fahrdynamik und geringen Treibstoffkosten, das keinerlei schädliche Abgase freisetzt und weder riskante Gastanks noch massive, explosive Akkumulatoren enthält: Alle Vorteile des Elektroautos — ohne die Nachteile!

Der einzige Wermutstropfen mag, aus Sicht von Freunden starker Musclecars, das fehlende dröhnende Motorgeräusch sein. Ein Brennstoffzellenauto erzeugt nur leises elektrisches Surren. Doch Musclecar- und Oldtimerfans sollen nicht das Nachsehen haben: Ihre Wagen sind leicht auf Hydrazin- oder Ammoniakverbrennung umrüstbar. Das Motorgeräusch des „V8 Interceptors“ bleibt auch dann eindrucksvoll, wenn hinten Stickstoff und Wasserdampf herauskommen.

Silicon-to-Liquid: Silane

In einer halben Stunde nach New York — auf einem heißen Schweif von Sand?! Eine wenig bekannte Treibstoffoption, die für Hyperschallflugzeuge mit Ram- oder Scramjets interessant ist: Silane, Siliziumhomologe zu Alkanen, verbrennen bei über 1400 °C sowohl mit Sauerstoff wie mit dem Luftstickstoff zu Wasser und Siliziumnitrit. 99% der Luft stehen solcherart als Reaktionspartner zur Verfügung! Notabene ist Siliziumnitrit ein Feststoff (Sand), so dass nur Motoren ohne bewegte Teile in Frage kommen. Turbinenschaufeln schätzen es nicht, wenn ständig feinste Partikel gegen sie prasseln, die Ram- und Scramjets zukünftiger Super-Concordes (über Mach 5!) enthalten jedoch keine Schaufeln. Auch modifizierte Wankelmotoren könnten mit Silanen zurechtkommen.

Bor

Eine wahrhaft exotische Lösung, die aufgrund ihrer sehr weit von bisherigen Treibstoffkonzepten abweichenden Natur kaum bekannt ist, ist das Halbmetall Bor, welches meist in ausgetrockneten Salzseen abgebaut wird — aber auch die Extraktion aus Meerwasser ist möglich.

An Luft ist Bor weitgehend inert, in reinem Sauerstoff brennt es mit höherem Heizwert als alle anderen absehbar möglichen chemischen Treibstoffe — nur Wasserstoff übertrifft es bezüglich Energie pro Masse:



Heizwerte pro Masse und Volumen für Bor, Eisen und die wichtigsten herkömmlichen Treibstoffe. (Quelle)

Boroxid ist jedoch eine gummiartige, zähe Masse: noch kritischer für bewegte Motorenteile als Silikatstaub! Die praktikabelste Methode, Borverbrennung als Antrieb zu nutzen, dürfte demnach darin bestehen, das Bor extern in einer Brennkammer mit reinem Sauerstoff reagieren zu lassen, der aus der Umgebungsluft in einer Vorstufe extrahiert wurde, und die Wärme an das Arbeitsmedium einer Turbine oder eines Stirlingmotors weiterzugeben. Das Oxid wird hinter der Brennkammer aufgefangen. „Tanken“ bekommt nun eine ungewöhnliche Bedeutung: Man gibt den gefüllten Boroxidbehälter in einem Supermarkt oder Kiosk ab (Bor ist, wie gesagt, an Luft reaktionsträge und kann daher ohne zusätzliche Vorkehrungen im Einzelhandeln vertrieben werden) und bekommt dafür eine Kartusche Borstaub für weitere 1000 km. Das Boroxid wird nun zu einem DFR-Kraftwerk transportiert, wo es auf elektrischem oder thermischem Wege reduziert wird — pro Fahrzeug muss also nur eine Tankfüllung abgebaut werden!

Diese Option ist bezüglich Motorentechnik und Infrastruktur wahrscheinlich am weitesten von der Realisierung entfernt — aber die Idee eines geschlossenen Kreislaufs für chemische Brennstoffe fasziniert.

(Siehe auch: Tom Blees: „Prescription for the Planet“, Kapitel 5)