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Die Kraftstoffe der Zukunft, direkt aus der Raumfahrtforschung

Was ist die gut speicherbare Energie der Zukunft, wenn fossile Energie durch Wind-, Sonnen- und Wasserkraft ersetzt werden? CO₂-neutrale Kraftstoffe der Zukunft: Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe. Wasserstoff kann mit Hilfe von Strom oder Sonnenkraft aus Wasser gewonnen werden. Synthetische Kraftstoffe wiederum lassen sich aus Wasserstoff und Kohlendioxid (CO₂) herstellen. Und wenn dafür CO₂ aus der Umgebungsluft oder aus Industrieprozessen genutzt wird, trägt der Prozess außerdem dazu bei, bereits in der Atmosphäre vorhandenes CO₂ zu reduzieren. Technologien zur Herstellung von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen werden seit fünf Jahrzehnten am DLR erforscht, mit spannenden Ergebnissen für den Einsatz auf der Erde und in der Raumfahrt.

Wasserstoff: bereits bei der Mondlandung genutzt

Wasserstoff wird seit den 1950er Jahren als Treibstoff für Raketen erprobt und ist seit den 1960er Jahren im Weltraumeinsatz – unter anderem bei der Mondlandung 1969 als ein Treibstoff der Trägerrakete und zugleich für die Brennstoffzelle im dazugehörigen Raumschiff. Die Brennstoffzellen dienten als „unerschöpfliche“ Energiequelle: Sie erzeugten Strom mit bis zu 2.300 Watt pro Modul, lieferten Wärme und produzierten auch Trinkwasser. Der Treibstoff: flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff. 1967 liefen erstmals Versuche mit Wasserstoff für den Raumfahrt-Einsatz am DLR-Standort Lampoldshausen. Heute ist der Standort Lampoldshausen einer der größten Wasserstoffnutzer Europas. 1979 startete dann die europäische Trägerrakete Ariane-1, die unter anderem mit Wasserstoff angetrieben wurde. Und auch die aktuellste Ariane-Generation Nummer 6 verwendet Wasserstoff.

Wie Wasserstoff das Speicherproblem löst

So „schwer“ ist die Speicherung von 10 Kilowattstunden Energie.

38 kg	0,84 kg	0,3 kg
Akku	Diesel	Wasserstoff

Um den Energiegehalt von 1 Liter Diesel zu speichern, benötigt man Akkuzellen, die 38 Kilogramm wiegen, 3 Liter Volumen aufweisen und in der Anschaffung 100 Euro kosten – bei kleineren stationären Anwendungen und bei geringem Speicherbedarf wie im Auto ist das unproblematisch. Wenn es um große Speichermengen bei wenig Platz geht und auch das Gewicht eine Rolle spielt, beispielsweise im Langstreckenflugzeug oder in einer Weltraumrakete, ist Wasserstoff als komprimierbares und leichtes Speicherelement eine interessante Alternative. Die große Herausforderung ist zurzeit noch die Speicherung: Die Dichte ist sehr gering, deswegen muss die Lagerung bei rund 700 bar oder bei weniger als -253 °C erfolgen. Die Anforderungen an Tanks sind immens hoch. Hier helfen die Erfahrungen aus der Raumfahrt, da Wasserstoff seit Jahrzehnten für Raketentreibstoff verwendet wird und das Wissen zur Lagerung und Handhabung entsprechend groß ist.

Wasserstoff ist ein richtiges Multitalent: Er kann als Kraftstoff oder Brennstoff zum Beispiel Fahrzeuge oder Industrieprozesse antreiben, in Brennstoffzellen kann er verstromt werden und er lässt sich zu komplexen gasförmigen oder flüssigen Kraftstoffen veredeln. Außerdem eignet er sich als Schnittstelle zwischen allen Energienutzungen – das macht ihn so interessant.

Aus Sonne und Wind wird Wasserstoff

Wasserstoff aus Wind für die „Grüne Raumfahrt“: In der Nähe des DLR-Standorts Lampoldshausen steht der größte Windpark in Baden-Württemberg. Dessen überschüssiger Strom wird jetzt im Projekt H₂ORIZON von DLR und ZEAG genutzt, um Wasserstoff zu erzeugen: in einer 1-Megawatt-Anlage. Der Wasserstoff wird für ein Blockheiz-Kraftwerk (BHKW) benötigt, das Strom und Wärme liefert, und zum Betanken von Wasserstoff-Fahrzeugen. Die Ingenieurinnen und Ingenieure am Standort wissen bestens mit dem Wasserstoff umzugehen. Dieser wird dort bereits seit vielen Jahrzehnten als Treibstoff für die Tests von Raketentriebwerken genutzt. Das Ziel ist eine komplette Sektorenkopplung, durch die eine „Grüne Raumfahrt“ möglich wird, mit flüssigem Wasserstoff für Raketen aus erneuerbaren Energien.

Konzentrierte Sonnenkraft: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR haben bereits in verschiedenen Projekten gezeigt, dass sich Wasserstoff direkt mittels konzentrierter Sonnenhitze herstellen lässt, und entwickeln das Verfahren weiter (Bild: Solarturm der südspanischen Plataforma Solar de Almería, Eigentümer: CIEMAT). Dafür wird zunächst Wasser (H₂O) verdampft und in einen solaren Strahlungsempfänger – den sogenannten Reaktor – geleitet, der sich im Brennpunkt der konzentrierten Solarstrahlung befindet. Das gebündelte Sonnenlicht erhitzt hier spezielle Materialien auf bis zu 1.400 °C, die den Wasserdampf in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufspalten. Aus zwei Molekülen Wasser werden so zwei Moleküle Wasserstoff und ein Molekül Sauerstoff. Für die Tests nutzen die Forschenden unter anderem die Anlage Synlight in Jülich, weltweit die größte Anlage für Bestrahlungstests mit künstlichem Sonnenlicht, und das Solarturmkraftwerk Jülich. Im Projekt HYDROSOL_Plant testeten Forschende unter Beteiligung des DLR das Verfahren auf einem Solarturm der südspanischen Plataforma Solar de Almería (Eigentümer: CIEMAT). Die Technologie soll zur Marktreife weiterentwickelt werden.

Auf dem Weg zu 90 Prozent Wirkungsgrad: Das DLR betreibt in Jülich ein solarthermisches Versuchskraftwerk. Neben weiteren Projekten entwickeln Forschende des DLR und der DLR-Ausgründung HelioHeat GmbH dort den solaren Strahlungsempfänger CentRec^® weiter. Darin nehmen spezielle Keramikpartikel die gebündelte Sonnenstrahlung auf und werden so auf bis zu 965 °C aufgeheizt. Bisherige Technologien erreichen nur maximal 565 °C. In einem späteren kommerziellen Einsatz transportieren Rohre die Partikel zu ihrem Einsatzort, beispielsweise zu einer Hochtemperatur-Elektrolyse-Anlage zur Herstellung von Wasserstoff. Vorteil des neuartigen Prozesses: Angestrebt wird hier ein Wirkungsgrad der Hochtemperaturelektrolyse von rund 90 Prozent.

Solarkraftwerk-Überwachung per Multikopter: Wenn ein Solarkraftwerk zuverlässig Energie liefern soll, müssen die Spiegel laufend auf ihre optische Qualität kontrolliert werden. Bei mehreren 10.000 Spiegeln eines Großkraftwerks ist das mit einer Sichtkontrolle durch Mitarbeitende nahezu unmöglich. Die DLR-Innovation QFly übernimmt das besser als je zuvor: Eine Flugdrohne fliegt in rund 4 Stunden das komplette Solarspiegelfeld eines 50-Megawatt-Kraftwerks selbstständig ab. Eine spezielle Analysesoftware zeigt, ob die Spiegeloberfläche intakt ist und ob die automatische Ausrichtung auf die Sonne exakt funktioniert. Die Kontrollen machen es möglich, Fehler schnell zu entdecken und zu beheben. Das Ziel ist, die vorhandenen solaren Ressourcen optimal zu nutzen, damit die Anlage ihre volle Leistung erbringen kann.

Stromvorhersage per Wolkenkamera: Damit Stromnetze gut funktionieren, müssen Stromangebot und Stromnachfrage immer in Deckung gebracht werden. Für Strom aus Sonnenenergie ist die Vorhersage schwierig, weil eine einzelne große Wolke ein Solarfeld kurzzeitig abschatten kann. Mit herkömmlichen Mitteln ist das nicht vorhersagbar. „Eye2Sky“ vom DLR ist die Lösung: Mit vernetzten 360-Grad-Wolkenkameras werden Wolken beobachtet und die Daten per intelligenter Software ausgewertet, um Sonnenlicht und Schattenwurf zu messen – und vorherzusagen, wie sich Wolkenfelder kurzfristig verändern und weiterbewegen.

Digitales Energiemanagement für die Energiesysteme der Zukunft: Energieverbrauch und Energieerzeugung müssen in Stromnetzen immer in Einklang gebracht werden, damit die Netzfrequenz von 50 Hertz konstant bleibt. Gerät das Stromnetz durch zu geringe Erzeugung oder zu hohen Strombedarf aus dem Takt, kann es zu Störungen in der Stromversorgung kommen. Die Stromerzeugung beispielsweise mit Sonne und Wind hängt jedoch von der Natur ab und lässt sich nicht beliebig regeln. Die Lösung: Stromerzeugung und Stromverbrauch voneinander unabhängiger machen. Das gelingt, indem die Energiesektoren gekoppelt werden. Überschüssiger Strom kann dann in Akkus oder Wasserstoff gespeichert werden, wodurch in Phasen geringer Stromerzeugung Reserven zur Verfügung stehen. Die Steuerung ist hochkomplex. Das DLR entwickelt dafür Technologien, basierend auf Big-Data-Anwendungen.

Power-to-X-to-Power-Speicher: Es gibt viele Wege, Energie zu speichern. Das DLR forscht technologieneutral im Feld der PXP-Speicher. Strom erzeugen, als Hochtemperaturwärme speichern und daraus wieder Strom machen? Energie in Form von Druckluft speichern? Mit Strom Wasserstoff herstellen und daraus wieder Strom gewinnen? Das DLR erforscht vielversprechende Technologieansätze, damit in der Zukunft Systeme mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Kosten der Allgemeinheit zur Verfügung stehen.

Brennstoffzellen-BHKWs alltagstauglicher machen: Wenn Wasserstoff in ganz Europa alltäglicher wird, werden auch Brennstoffzellen-BHWKs allgegenwärtig sein, die Wärme und Strom im Heizungskeller von vielen Häusern produzieren. Für einen flächendeckenden Einsatz müssen diese neuen Technologien mit bestehender Haustechnik harmonieren und servicefreundlich sein. Dafür sind Standardisierungen nötig. Im Forschungsprojekt D2Service, das von der Europäischen Union gefördert wurde, kooperierte das DLR mit sechs Partnern aus fünf Ländern, um Komponenten, Bauteile und Schnittstellen von unterschiedlichen Produkten aufeinander abzustimmen. Brennstoffzellen starten weltweit durch: Im Vorreiterland Japan sind bereits über 300.000 Brennstoffzellen-Systeme in Gebäuden im Einsatz.

Mit Wasserstoff fliegen? Funktioniert!

HY4 ist die weltweit erste viersitzige Passagiermaschine mit einem Batterie-Brennstoffzellen-Antrieb. Bis zu 200 Stundenkilometer schnell, bis zu 1.500 Kilometer Reichweite. Ein Projekt von DLR, dem slowenischen Flugzeughersteller Pipistrel, dem Brennstoffzellen-Hersteller Hydrogenics, der DLR-Ausgründung H2Fly und der Universität Ulm. Leichte und leistungsstarke Wasserstoff-Antriebssysteme sind auch für die Raumfahrt sehr interessant: Ein Mond- oder Marsfahrzeug könnte wie ein Geländewagen auf der Erde aussehen und mit einer Tankfüllung 1.000 Kilometer weit fahren und ein Mars-Mini-Helikopter wäre nicht auf 90 Sekunden Flugzeit limitiert.

Aus der Kombination von Solarenergie und Wasserstoff entsteht ein Multitalent

Solarzellen auf dem Dach produzieren tagsüber Strom. Mit dem Strom, der nicht unmittelbar verbraucht wird, wird via Elektrolyse Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff wird in einem Tank gespeichert. Dort steht er zur Verfügung, wenn gerade keine Sonne scheint, um in einer Brennstoffzelle Strom und Wärme zu erzeugen. Oder der Wasserstoff wird ins Auto getankt. Oder ins Netz eingespeist.

Wasserstoff und Kohlenstoff: die Grundlage für synthetische Kraftstoffe

Das DLR-Querschnittsprojekt „Future Fuels“ erforscht synthetische Designer-Kraftstoffe – als verbesserten Eins-zu-Eins-Ersatz für fossile Kraftstoffe. Diese sollen mit erneuerbaren Energien hergestellt werden. Klimaneutral, wirtschaftlich und bei der Nutzung schadstoffarm. Mittels chemischer Prozesse, elektrischer und thermischer Energie (beispielsweise aus Sonnenenergie) kann man aus Wasserstoff und Kohlenstoff flüssige Kraftstoffe herstellen – von einfachem Methan bis zu komplexen Kraftstoffen. Klimaneutrales Methan ist vielfältig einsetzbar, von der heimischen Heizung bis zum Treibstoff für Raketen wie im europäischen Prometheus-Projekt. Designer-Kraftstoff lässt sich individuell für den jeweiligen Einsetzzweck optimieren, auch als Ersatz für Flugzeugkraftstoff wie Jet A-1 oder Raketentreibstoff wie RP-1. Das Projekt „SUN-to-LIQUID“ arbeitet unter DLR-Beteiligung daran, „Solar-Raffinerien“ zu entwickeln, in denen aus Energie der Sonne Sprit wird.

Designer-Sprit rußt weniger
Fossile Kraftstoffe werden aus Rohöl hergestellt und enthalten dadurch eine Vielzahl an unterschiedlichen Bestandteilen. Viele davon sind jedoch nicht erwünscht, da aus ihnen bei der Verbrennung Ruß entsteht. Die Zusammensetzung synthetischer Kraftstoffe lässt sich dagegen perfekt designen. Im Vergleich zu konventionellem Kerosin (Jet A-1) ist das synthetisch hergestellte Zukunfts-Flugkerosin (GtL) deutlich sauberer: Bei der Verbrennung entsteht kaum Ruß, und das ist gut für die Umwelt. Im Bild wird die Intensität der Rußstrahlung zweier Flammen verglichen, die auf die Menge des entstandenen Rußes schließen lässt. Bereits eine Beimischung von Designer-Kraftstoff senkt den Schadstoffausstoß. Das DLR forscht daran, Designerkraftstoffe und Triebwerke optimal aufeinander abzustimmen.

Die größte künstliche Sonne der Welt steht in Jülich

Um solarthermische Kraftwerke weiterzuentwickeln, sind Forschende auf ortsunabhängige und reproduzierbare Versuche mit Sonnenlicht angewiesen. Da dies mit der natürlichen Sonneneinstrahlung an einem Standort schwierig zu erreichen ist, hat das DLR-Institut für Solarforschung in Jülich seine eigene „Sonne“ entwickelt. Synlight. Seit 2017 ist es die größte künstliche Sonne der Welt mit mehr als 300.000 Watt Leistung und damit so kraftvoll wie alle bisherigen künstlichen Sonnen weltweit kombiniert. Jeder einzelne der 149 Strahler hat die Lichtleistung eines Großkino-Projektors. Gemeinsam erzeugen sie eine Lichtintensität, die dem 10.000-Fachen der natürlichen Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche entspricht. Weil sich Synlight in 3 „Sonnen“ aufteilen lässt, haben viele Teams aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen die Möglichkeit, Solartechnologie weiterzuentwickeln – beispielsweise für die bessere Herstellung von Wasserstoff oder flüssigen Solar-Kraftstoffen.

Mit Wasser und Brennstoffzelle zum perfekten Energie-Kreislauf

Wie wird sich beispielsweise eine bemannte Mars-Station mit Energie und vielem anderen versorgen? Ohne Tankstelle, ohne Wasserquelle, ohne Supermarkt? Die Idee: der geschlossene Kreislauf eines Lebenserhaltungssystems auf Basis von reversiblen (also umkehrbaren) Wasserstoffsystemen. Statt Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in riesigen Mengen mitzunehmen, könnte der „Proviant“ vor allem aus Wasser bestehen. Vor Ort erzeugen Solarzellen Strom. Per Elektrolyse wird das Wasser in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgespalten. Beides wird in einer Brennstoffzelle wiederum zu Wärme und Wasser. Strom, Wärme, Luft, Wasser – in einem ewigen Kreislauf. Zusätzlichen Sauerstoff könnten Algenkulturen erzeugen, aus denen zugleich Nahrung gewonnen wird. Die Erforschung solcher geschlossenen Systeme wird von der Raumfahrtagentur im DLR intensiv gefördert, denn sie sind auch für die Erde sehr interessant. Sie könnten nämlich die Lösung für die Speicher-Problematik erneuerbarer Energien sein.

Ein Teilsystem ist auf der ISS bereits im Einsatz: das kompakte Advanced Closed Loop System (ACLS) der ESA. Es recycelt die Hälfte des CO₂ aus der Ausatemluft der Astronautinnen und Astronauten und produziert daraus Prozesswasser für die Wasserstofferzeugung und Sauerstoff. Dadurch müssen jedes Jahr 400 Liter weniger Wasser zur ISS transportiert werden. Das spart rund 1 Million Euro Frachtkosten, und die zudem frei werdenden Frachtkapazitäten können besser für den Transport wissenschaftlicher Experimente genutzt werden. Der benötigte Strom für den Prozess wird mit den Solarzellen der ISS erzeugt. Als Abfallprodukt bleibt Methan übrig. Lebenserhaltungssysteme mit Kreisläufen (wie zum Beispiel ACLS) sind ein Schlüssel zur dauerhaften Besiedlung des Weltalls.

So funktioniert ein Kreislaufsystem: in Satelliten, Sonden und zu Hause

Der Strom, der Satelliten oder Sonden betreibt, stammt in der Regel von Solarzellen. Um die produzierte Energie für Zeiten zu speichern, in denen Satellit oder Sonde von der Sonne abgewandt sind, werden Akkus eingesetzt. Diese sind allerdings verhältnismäßig schwer. Um Schattenseiten von Himmelskörpern zu erforschen oder um leistungsstarke Kommunikationssatelliten jederzeit mit Strom zu versorgen, müssten die Akkus größer werden. Dafür fehlen Bauraum und Nutzlast. Die Lösung: reversible Brennstoffzellen, die deutlich weniger Platz und Gewicht benötigen. Diese Brennstoffzellen erzeugen aus Strom und mitgeführtem Wasser Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden in einem Tank gespeichert. In der Gegenrichtung produzieren sie aus diesem gespeicherten Wasserstoff und unter der Zuhilfenahme des gespeicherten Sauerstoffs Strom, wobei wieder Wasser entsteht – in tausenden Zyklen. Airbus und die Raumfahrtagentur im DLR erforschten die Technologie im Vorhaben RFCS, 2018 erreichte das Forschungszentrum Jülich mit einem Wirkungsgrad von 62 Prozent einen neuen Weltrekord für diese Technologie. Der nächste Schritt: der Mond!

Der „European Large Logistics Lander“ der ESA soll künftig dabei helfen, die Mondrückseite zu erforschen. Auch ein Mond-Rover gehört zur Mission. Die Nacht auf dem Mond dauert allerdings 14 Erdentage und kann bis zu -248 °C kalt werden. Um Strom und Wärme zu erzeugen, soll eine reversible Brennstoffzelle zum Einsatz kommen.

Sauerstoff zum Atmen – auch den liefert die reversible Brennstoffzelle

1. Ein Elektrolyseur wird mit Strom aus Sonnenenergie betrieben. Er spaltet Wasser in Wasserstoff (H₂) zur Energiegewinnung und Sauerstoff (O₂) zum Atmen.

2. Der Wasserstoff wird in einer Brennstoffzelle verstromt. Dabei entstehen Abwärme und Wasser. Beides wird vom Menschen gebraucht.

3. Der Mensch wiederum verbraucht Wasser. Das Verbrauchswasser wird für den Elektrolyseur aufbereitet.

4. Der Mensch verbraucht Sauerstoff. Dabei entsteht CO₂.

5. Das CO₂ wird per Sabatier-Reaktion unter Zugabe von Wasserstoff wieder zu Wasser (Advanced Closed Cycle Loop). Diese Technik wird unter DLR-Beteiligung auf der ISS erprobt.

6. In Methan (CH₄) ist viel wertvoller Wasserstoff. Der wird per Pyrolyse zurückgewonnen. Als Rest bleibt schlicht Kohlenstoff – Graphit.

7. Übrigens ist auch CO₂ nutzbar: Durch Photosynthese wird es wieder zu Sauerstoff. In einem Foto-Bioreaktor „arbeiten“ zu diesem Zweck Algen. Sie sind sogar essbar und landen schließlich auf dem Speiseplan der Astronautinnen und Astronauten.