Technologie vor 179 Tagen

Moderne Dampfmaschinen

Wasserdampf

nanoFlowcell-Elektrofahrzeuge - ähnlich wie Wasserstofffahrzeuge - produzieren Wasserdampf als "Abgas". Aber ist die Wasserdampf-Emission zukünftiger Elektrofahrzeuge umweltgerecht?

Immer häufiger hinterfragen Kritiker der Elektromobilität die Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit alternativer Energien. Der Elektroantrieb in Automobilen ist für viele ein mediokrer Kompromiss aus emissionsfreiem Fahren und umweltschädlicher Technologie. Herkömmliche Lithium-Ionen- oder Metall-Hydrid-Batterien sind weder nachhaltig noch umweltverträglich - nicht in der Produktion, nicht in der Nutzung und nicht im Recycling, auch wenn die Automobilwerbung saubere "E-Mobilität" suggeriert.

Auch die nanoFlowcell Holding wird häufig nach der Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit der nanoFlowcell-Technologie und der bi-ION Elektrolyte gefragt. Sowohl die nanoFlowcell, als auch die für ihren Betrieb notwendige Elektrolytlösung bi-ION werden aus nachhaltigen Rohstoffen umweltverträglich produziert. Auch im Betrieb ist die nanoFlowcell-Technologie vollkommen ungiftig und nicht gesundheitsschädlich. Ebenso lässt sich bi-ION, welches aus einer schwachsalzigen wässrigen Lösung (in Wasser gelöste organische und anorganische Salze) und den eigentlichen Energieträgern (Elektrolyte) besteht, umweltverträglich verwenden und recyceln.

QUANTiNO Stadtverkehr

Wie funktioniert der nanoFlowcell-Antrieb in einem Elektrofahrzeug? Ähnlich wie bei einem benzinbetriebenen Automobil verbraucht sich die Elektrolytlösung in einem nanoFlowcell-betriebenen Elektrofahrzeug. In der nanoFlowcell, der eigentlichen Flusszelle, wird eine positiv und eine negativ geladene Elektrolytlösung an der Zellmembran vorbeigepumpt. Hier findet eine Reaktion zwischen der positiv und der negativ geladenen Elektrolytlösung statt, ein Ionenaustausch. Dabei wird die in bi-ION chemisch gebundene Energie als Elektrizität freigesetzt, welche zum Antrieb der Elektromotoren genutzt wird. Dies geschieht so lange wie Elektrolyte an der Membrane vorbeigepumpt werden und dort reagieren. Im Falle des nanoFlowcell-betriebenen QUANTiNO reicht eine Tankfüllung Elektrolytflüssigkeit für eine Fahrstrecke von über 1.000 Kilometern. Ist der Tank leer, muss nachgetankt werden.

Welche "Abfallstoffe" entstehen aber bei einem nanoFlowcell-betriebenen Elektrofahrzeug? Bei einem herkömmlichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor entstehen bei der Verbrennung von fossilen Kraftstoffen (Benzin oder Diesel) gefährliche Abgase - hauptsächlich Kohlenstoffoxide, Stickstoffoxide und Schwefeldioxid - deren Häufung von vielen Forschern als die Verursacher des Klimawandels identifiziert wurden. Die einzigen während der Fahrt freigesetzten Emissionen bei einem nanoFlowcell-Fahrzeugs hingegen bestehen - ähnlich wie bei einem Wasserstofffahrzeug - fast ausschließlich aus Wasser.

Nachdem in der nanoFlowcell der Ionenaustausch stattgefunden hat, bleibt die chemische Zusammensetzung der bi-ION Elektrolytlösung nahezu unverändert; sie ist jedoch nicht mehr reaktiv und gilt - da sie nicht wieder aufladbar ist - somit als "verbraucht". Bei mobilen Applikationen für die nanoFlowcell-Technologie, wie beispielsweise Elektrofahrzeugen, hat man sich daher für die mikrofeine Zerstäubung und Freisetzung der verbrauchten Elektrolytlösung während des Fahrbetriebes entschieden. Ab einer Fahrtgeschwindigkeit von 80km/h entleert ein durch die Fahrenergie angetriebener Generator über feinste Düsen den Auffangtank für die verbrauchte Elektrolytflüssigkeit. Die Elektrolyte und Salze werden vorher mechanisch herausgefiltert. Die Freisetzung des nun sauber gefilterten Wassers geschieht umweltverträglich als kalter Wasserdampf (mikrofeiner Nebel). Der Auffangfilter wird etwa alle 10.000 Kilometer getauscht und lässt sich anschließend umweltgerecht entsorgen.

Vorteil dieser technischen Lösung ist, dass der Fahrzeugtank sich wie gewohnt während der Fahrt leert und bequem und schnell wieder vollgetankt werden kann ohne vorher leergepumpt werden zu müssen.

Alternativ ist es möglich - und konstruktiv unwesentlich aufwendiger - die verbrauchte Elektrolytlösung in einem separaten Tank aufzufangen und dem Recycling zuzuführen. Diese Lösung ist beispielsweise für stationäre Anwendungen der nanoFlowcell vorgesehen.

Kuehltuerme

Nun ist es so, dass viele Kritiker anführen, dass auch Wasserdampf, wie er beispielsweise bei der Umwandlung von Wasserstoff in der Brennstoffzelle freigesetzt wird oder durch die Zerstäubung der Elektrolytflüssigkeit bei der nanoFlowcell anfällt, theoretisch ein Treibhausgas ist, welches möglicherweise klimaverändernd wirkt. Wie entstehen solche Gerüchte?

Wir betrachten die Wasserdampfemissionen hinsichtlich ihrer Umweltrelevanz und stellen dabei die Frage, wie viel mehr Wasserdampf durch den breiten Einsatz nanoFlowcell-betriebener Fahrzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Antriebstechnologien zu erwarten ist und ob diese H2O-Emissionen die Umwelt negativ beeinflussen können.

Die wichtigsten natürlichen Treibhausgase - neben CH4, O3 und N2O - sind Wasserdampf und CO2. Für die Erhaltung des Weltklimas sind Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf von großer Bedeutung: Sonnenstrahlen, die auf den Erdboden auftreffen, werden absorbiert und erwärmen den Erdboden. Dabei wird Wärmestrahlung an die Atmosphäre abgegeben. Ein großer Teil dieser Wärmestrahlung strahlt jedoch wieder in das Weltall zurück und geht der Erdatmosphäre verloren. Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf besitzen die Eigenschaft von Treibhausgasen: Sie bilden eine "Schutzschicht" und verhindern, dass die komplette Wärmestrahlung in das Weltall zurückstrahlt. Dieser Treibhauseffekt innerhalb des natürlichen Rahmens ist für unsere Existenz auf dieser Erde lebensnotwendig - ohne Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf wäre die Atmosphäre unserer Erde lebensfeindlich.

Problematisch wird der Treibhauseffekt erst dann, wenn der natürliche Kreislauf durch unvorhergesehene Eingriffe des Menschen gestört wird. Wenn neben den naturgegebenen Treibhausgasen und ihrer natürlichen Konzentration in unserer Atmosphäre, der Mensch durch Verbrennung fossiler Brennstoffe für eine Konzentrationserhöhung der Treibhausgase in der Atmosphäre sorgt und somit die Erwärmung der Erdatmosphäre zusätzlich anfacht.

Urwald

Als Teil der Biosphäre nimmt der Mensch allein durch seine Existenz zwangsläufig Einfluss auf seine Umwelt und damit auch auf das Klimasystem. Die stetige Zunahme der Weltbevölkerung seit der Steinzeit und dem Siedlungsbau vor einigen tausend Jahren und der damit verbundene Übergang vom Nomadentum zu Ackerbau und Viehzucht hatten bereits Einfluss auf das Klima. So wurde nahezu die Hälfte der originären Wälder weltweit zur landwirtschaftlichen Nutzbarmachung gerodet (>). Wälder sind - neben den Ozeanen - ein Hauptproduzent des Treibhausgases Wasserdampf.

Wasserdampf ist der hauptsächliche Absorber der Wärmestrahlung in der Atmosphäre. Wasserdampf ist im Mittel zu 0,3% der Masse in der Atmosphäre enthalten, Kohlendioxid zu 0,038%, d.h. Wasserdampf entspricht rund 80% der Masse der Treibhausgase in der Atmosphäre (ca. 90% des Volumens) und ist mit einem Beitrag zum Treibhauseffekt zwischen 36% und 66% das wichtigste Treibhausgas, das unsere Existenz auf dieser Erde sichert. (>)

Tabelle 3: Atmosphärischer Anteil der wichtigsten Treibhausgase sowie absoluter und relativer Anteil an der Temperaturerhöhung (Zittel)
* Quelle: UNFCCC (>)

Neben dem natürlich vorkommenden Wasserdampf sind die größten anthropogenen - von Menschen verursachten - Wasserdampfemission auf die künstliche Bewässerung zurückzuführen (IPCC) (>). Jedoch wird durch die Abholzung großer Waldflächen wiederum der Wasserdampffluss deutlich verringert, der einen um ein Vielfaches größeren Effekt haben dürfte.

Der anthropogene Beitrag von Wasserdampf wird in den Klima-Modellrechnungen nicht berücksichtigt, da dieser im Vergleich zu den natürlichen Emissionen durch Verdunstung lediglich einen Anteil von 0,005% ausmacht und somit irrelevant ist. Im Gegensatz dazu liegen beispielsweise die anthropogenen Kohlendioxidemissionen mit einem Anteil von 4% in einer Größenordnung, und nehmen damit deutlich Einfluss auf den natürlichen Kreislauf. (>

Dazu muss gesagt werden, dass der durch den Straßenverkehr verursachte CO2-Beitrag weltweit bei durchschnittlich rund 11 Prozent liegt. Was ändert sich, wenn mehr Fahrzeuge Wasserdampf als CO2 emittieren?

Regen

Hinsichtlich der absoluten Mengen an Wasserdampfemissionen in Deutschland werden folgende Abschätzungen vorgenommen:

Bei einer mittleren jährlichen Niederschlagshöhe von rund 780 mm und einer Fläche von ca. 360.000 km2 beträgt das Niederschlagsvolumen rund 280 Mrd. t. Die natürliche Wasserdampfemission pro km2 und Jahr beträgt etwa 0,35 x 106 t. Das sind, bezogen auf die Gesamtfläche, rund 125 000 x 106 t Wasserdampf pro Jahr. Ermittelt wurde dieses unter der Randbedingung, dass von der gesamten Niederschlagsmenge ca. 50% verdunsten und die restlichen 50% über das Grund- und Oberflächenwasser zum Meer abfließen.

Bei einer vollständigen Umstellung der 45.1 Millionen in Deutschland registrierten PKW auf nanoFlowcell-Antrieb, würden diese bei durchschnittlicher Fahrleistung jährlich rund 1.000 Liter Elektrolyte pro Fahrzeug zerstäuben und damit rund 0.01% des in Deutschland natürlich anfallenden Wassers emittieren. Weltweit gesehen, ist aufgrund der enormen Menge an natürlicher Verdunstung - insbesondere der Ozeane und durch Wälder - der gesamte anthropogene Anteil produzierten Wasserdampfes absolut vernachlässigbar (geringer als 0,005%).

Kondensstreifen

Darüber hinaus hängt der Treibhausgaseffekt von Wasserdampf vor allem von der Konzentration in den verschiedenen Atmosphärenschichten ab: Je weiter von der Erdoberfläche entfernt, desto stärker ist der induzierte Treibhausgaseffekt. Wissenschaftler sind sich einig, dass das Treibhausgaspotenzial von anthropogenem Wasserdampf in Bodennähe als vernachlässigbar zu betrachten ist. Wasserdampf in der Stratosphäre hingegen, wo er zum Beispiel von Flugzeugen emittiert wird, birgt zusätzliches Treibhausgaspotenzial. (>)

Wir stellen fest: QUANTiNO und QUANT FE sind nicht frei von Emissionen - immerhin fällt Wasser als "Abfallprodukt" an (sowie umweltneutral recycelbare Elektrolyte und Salze in geringen Mengen). Doch selbst bei einer weltweiten Umstellung aller Fahrzeuge auf nanoFlowcell-Antrieb, haben die dadurch entstehenden Wasserdampfemissionen keinen klimaverändernden Einfluss - durch sie entsteht weniger Wasserdampf, als von den Waldflächen produziert wurde, die Jahr für Jahr abgeholzt werden.

Als umweltverträgliche und nachhaltige Energiequelle wird die nanoFlowcell positiv zum Weltklima beitragen: Jedes nanoFlowcell-betriebenes Elektrofahrzeug, das ein herkömmliches Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ersetzt, trägt dazu bei, die Konzentrationserhöhung an Kohlenstoffoxiden, Stickstoffoxiden und Schwefeldioxid zu senken.

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