Energieerzeugung und -speicherung DOI: 10.1002/ange.200903603 Energietechnologie: Elektrochemie gegen Wärmekraftmaschinen – ein Tribut an Wilhelm Ostwalds visionäre Aussagen Julia Kunze und Ulrich Stimming* Wilhelm Ostwald gewidmet Brennstoffzellen · Carnot-Prozess · Elektrochemie · Energietechnologie · Wärmekraftmaschinen 1. Einleitung Unsere derzeitige Situation in Bezug auf die wichtigsten fossilen Energieträger und den Energieverbrauch ist charak- terisiert durch begrenzte Reserven und Ressourcen sowie durch Emissionsprobleme beim Verbrauch von Rohöl, Erd- gas, Kohle und Uran als Primärenergieträger. Gleichzeitig ist der weltweite Energiebedarf von 8.3 Millionen Gigawatt- stunden (GWh) im Jahr 1980 auf 18.9 Millionen GWh im Jahr 2006 gestiegen und wird auf 30.7 Millionen GWh im Jahr 2030 geschätzt. Das Energiemanagement stellt die Gesellschaft hier vor ein komplexes Problem. Eine Erhöhung der Anteile erneu- erbarer Energien wie Wind-, Sonnen- und Wellenenergie er- schwert das Netzmanagement; daher ist die Erzeugung elektrischer Energie nur ein Teil der Herausforderung. Das Management und die Speicherung elektrischer Energie wer- den entscheidend für die Sicherung der derzeitigen Netz- qualität sein. Heutzutage erfahren Energiewandlungsprozesse aus zwei Gründen besondere Aufmerksamkeit: wegen der begrenzten Verfügbarkeit von Primärenergieträgern sowie wegen der Tatsache, dass bei diesen Prozessen Verunreinigungen mit lokalen wie auch globalen Auswirkungen auf die Umwelt freigesetzt werden. Energiewandlungsprozesse zur Stromge- winnung haben üblicherweise nur einen Wirkungsgrad von wenig mehr als 30%; mehr als zwei Drittel der Primärener- gien gehen also als Hitze oder in Form chemischer Produkte verloren. Konventionelle Prozesse, wie diejenigen in auf Wärmekraftmaschinen basierenden Kraftwerken, sind Volu- menprozesse, z.B. die Verbrennung, die mechanische und dann elektrische Energie erzeugt. Andere Technologien wie die Photovoltaik und die Elektrochemie (Batterien, Brenn- stoffzellen, Superkondensatoren) basieren auf einer Über- tragung der Energie und/oder Ladung über Grenzflächen. Die thermodynamische Effizienz von Grenzflächenreaktio- nen ist gewöhnlich viel höher als die Arbeitsleistung von Wärmekraftmaschinen, die durch die Carnot-Effizienz limi- tiert ist. Dieser Essay hat Methoden zur Erzeugung und Speiche- rung von Energie zum Thema, die zum einen auf dem Carnot- Zyklus und zum anderen auf elektrochemischen Prozessen basieren. Das Ziel ist, beide Alternativen kritisch zu ver- gleichen und ihre Vor- und Nachteile aufuzeigen. Einer der ersten Wissenschaftler, denen der Einfluss und die Wichtig- keit von Energieumwandlung und -speicherung bewusst wurde, war der Nobelpreisträger Wilhelm Ostwald (1853– 1932), seinerzeit Professor am ersten Lehrstuhl für physika- lische Chemie an der Universität Leipzig. Die Ansichten Ostwalds und die der heutigen Gesellschaft zum Thema Energiewandlung werden in diesem Essay dargestellt, um die Entwicklung der Meinungen des 18. Jahrhunderts bis heute widerzuspiegeln und wichtige Fragen in diesem Kontext aufzuzeigen. 2. Klassische Kreisprozesse von Wärmekraft- maschinen Thermodynamische Überlegungen führten zu den ersten Wärmekraftmaschinen, die für die Produktion von mechani- scher oder elektrischer Energie genutzt wurden. Seit dem 18. Jahrhundert fungierten konventionelle Dampfmaschinen als Quelle mechanischer Energie; wesentliche Beiträge zu dieser Technik kamen vonJames Watt. 1882 nutzten die ers- ten kommerziellen Stromerzeugungsstationen in London und New York Dampfmaschinen. [1] 1894 sagte Ostwald eine technische Revolution durch die Brennstoffzelle voraus, die selbst die Erfindung der Dampf- maschine in den Schatten stellen sollte. Ostwalds Voraussa- gen zum Trotz dienen Wärmekraftmaschinen der ersten Ge- neration noch heute als Kraftwerke. Einen Fortschritt brachte die Einführung kombinierter Kraftwerke, die mehrere Zy- klen bei unterschiedlichen Temperaturen kombinieren und so einen wesentlich höheren Systemwirkungsgrad erreichen. Wärmekraftmaschinen können nur einen Teil der verfügba- [*] Prof. Dr. U. Stimming Physik Department E19, Technische Universität München James-Franck Straße 1, 85748 Garching (Deutschland) Fax: (+ 49) 89-289-12530 E-Mail: stimming@ph.tum.de Dr. J. Kunze Physik Department E19, Institute for Advanced Study (IAS), Technische Universität München James-Franck Straße 1, 85748 Garching (Deutschland) Essays 9394  2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Angew. Chem. 2009, 121, 9394 – 9401