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