Sind pulverförmige Metallbrennstoffe nur eine Eintagsfliege?

Es ist kein Geheimnis, dass fossile Brennstoffe schnell aussterben. Da die Technologie immer weiter voranschreitet, verschwinden sie immer schneller. Viele unserer derzeitigen Abhängigkeiten von fossilen Brennstoffen hängen mit energieintensiven Anwendungen wie dem Transport zusammen. Da es unwahrscheinlich ist, dass der weltweite Transport aus anderen Gründen als der Treibstoffknappheit jemals rückläufig sein wird, müssen wir unbedingt etwas finden, das die hohe Energiedichte fossiler Brennstoffe nachbilden kann. Entweder das, oder Sie kehren zum Zeichenbrett zurück und ändern den gesamten Umfang des globalen Transportwesens.

Energie, insbesondere Sonne und Wind, kann nicht überall auf der Welt erzeugt werden. Traditionell wird Energie vor Ort erzeugt und an andere Orte geliefert, an denen sie benötigt wird. Die vorgeschlagenen Lösungen für kohlenstofffreie Energieträger – Batterien und Wasserstoff – haben alle ihre Schwächen. Batterien sind eine ziemlich sichere Option, ihre Energiedichte ist jedoch ziemlich gering. Die Energiedichte von Wasserstoff ist höher, aber seine Entflammbarkeit macht ihn bei Lagerung und Transport gefährlich flüchtig.

Kürzlich veröffentlichte eine Gruppe von Forschern der McGill University in Kanada einen Artikel, der die Verwendung von Metallpulvern als unseren kohlenstofffreien Kraftstoff der Zukunft untersucht. Obwohl Metallpulver möglicherweise als Primärenergiequellen verwendet werden könnten, schlagen sie als Übergangslösung vor, sie als Sekundärquellen zu nutzen, die durch Wind- und Solarenergie betrieben werden.

Die Idee, pulverförmigen Kraftstoff als Energiequelle zu nutzen, ist nicht neu. Einer von Rudolf Diesels Prototypen aus dem späten 18. Jahrhundert lief kurzzeitig mit Kohlenstaub, einer Ressource, die in den Minen des nahegelegenen Ruhrgebiets reichlich vorhanden war. Nachdem er den Motor weniger als zehn Minuten lang laufen ließ, stellte er fest, dass sich bereits Schlamm angesammelt hatte, und vermutete, dass es sich dabei um die bei der Verbrennung entstandene Asche handelte. Kohlenstaub wurde in Deutschland weiter getestet und die Ergebnisse waren weitgehend die gleichen – interne Schlammbildung und eine höhere Verschleißrate. Die Kohlebrennstoffforschung nahm in den USA nach dem Zweiten Weltkrieg Fahrt auf und konzentrierte sich auf die Verwendung einer mit Diesel hergestellten Kohleaufschlämmung. Dennoch führte die Asche zu einem schnelleren Verschleiß der Kolbenringe.

Im Laufe der Jahrzehnte experimentierten Dieselfirmen mit der Verwendung immer kleinerer Einführungskohlepartikel und versuchten auch, diese mit Wasser anstelle von Diesel zu mischen. In den 1980er Jahren startete das Energieministerium der Vereinigten Staaten ein Programm zur Zusammenarbeit mit Dieselunternehmen in der Frage der Wasser-Kohle-Aufschlämmung. Eines dieser Unternehmen, ein Geschäftsbereich von General Electric, hatte Anfang der 1990er Jahre große Fortschritte gemacht, doch zu diesem Zeitpunkt waren die Ölpreise bereits rückläufig. Das DoE-Programm wurde eingestellt.

Aluminium und andere Metalle sind aus mehreren Gründen eine attraktive alternative Energiequelle. Am wichtigsten ist, dass sie eine hohe Energiedichte haben. Dies ist teilweise der Grund, warum Aluminiumpulver in Feuerwerkskörpern und Raketentriebwerken verwendet wird. Metall kann zur Herstellung von Batterieanoden verwendet werden, allerdings müssen Metall-Luft-Batterien viel größer sein, um mit der Leistungsdichte herkömmlicher Brennstoffzellen mithalten zu können. Einfallsreicher ausgedrückt: Metallpulver werden als eigenständige Brennstoffe für die direkte Verbrennung von der Infrastrukturebene bis hin zu Automotoren verwendet.

Allerdings gibt es ein Problem bei der direkten Verwendung von Metallpulvern als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren. Ähnlich wie Kohlenstaub und Schlamm entstehen bei der Verbrennung von Aluminium- und Eisenpulver feste Metalloxide. Diese Oxide bedecken den Motor, verschleißen ihn schneller und verschmutzen schließlich die Kolben.

Die Ironie besteht darin, dass diese festen Metalloxide der Schlüssel zur Erneuerbarkeit sind. Sie können gesammelt und mithilfe der vorhandenen Infrastruktur im Rahmen von Wind- und Solarenergie wieder zu pulverförmigem Kraftstoff recycelt werden. Aber je kleiner sie sind, desto schwieriger ist es, sie zu sammeln. Und tatsächlich: Sofern das Recycling nicht effizient durchgeführt wird, sind Metallpulver kein wirklich guter Ersatz für Erdöl oder Diesel.

Externe Verbrennungsmotoren sind eine bessere Anwendung für Metallpulverkraftstoff. Das Verbrennungssystem kann die Drecksarbeit aus sicherer Entfernung erledigen. Mit einem Zyklon kann es die Metalloxide herausfiltern und nur saubere Wärme an den Motor leiten. Noch vielversprechender als Aluminium ist Eisenpulver. Es verbrennt 1.000 Grad Celsius kühler als Aluminium und erzeugt größere Oxidpartikel, die sich leicht sammeln lassen.

Obwohl theoretisch möglich, müsste sich viel ändern, bevor wir alle Autos mit beispielsweise Stirling- oder Dampfmaschinen fahren (oder von ihnen gefahren werden), die mit Metallpulver betrieben werden. Bestehende Verbrennungssysteme müssten geändert werden, um pulverförmigen Metallbrennstoff zu unterstützen, und es müsste ein Plan vorhanden sein, um alle Metalloxide zum Recycling zu sammeln. Auf Infrastrukturebene wurde nichts gebaut, was Metallpulver mit Leistungsdichten umwandeln könnte, die mit denen fossiler Brennstoffe vergleichbar sind.

Um Energie zu erzeugen, braucht es Energie, und dazu gehört auch die Herstellung von Metallpulver. Im Allgemeinen werden feste Metallstücke entweder maschinell pulverisiert, mit einem Druckluftstrom zerstäubt oder durch Elektrolyse gesammelt. Insbesondere die Eisenpulvermetallurgie (Anmerkung des Herausgebers: tee-hee) wird typischerweise durch Zerstäubung oder eine Reduktionstechnik durchgeführt, die als Eisenschwammverfahren bekannt ist. Aber diese Methoden sind alle auf externe Energie angewiesen. Für die Zerstäubung ist ein Gas erforderlich, und beim Eisenschwammprozess wird es in einem Ofen erhitzt, um das Zwischenprodukt Eisenschwamm herzustellen, und anschließend wird viel Kraft aufgewendet, um es zu Pulver zu zerkleinern. Im besten Fall könnte die gesamte Verarbeitung mithilfe erneuerbarer Energiequellen erfolgen. Im schlimmsten Fall ist ein fossiler Brennstoff erforderlich.

Metallpulver-Brennstoffe allein werden uns nicht aus unserer Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen befreien. Keine einzelne Art alternativer Energie wird dies tun. Höchstwahrscheinlich bedarf es einer Kombination dieser Maßnahmen, um alle Anwendungsfälle abzudecken, bevor wir uns von fossilen Brennstoffen entwöhnen können.

Aber wenn wir diesen Wandel vollziehen, tauschen wir dann wirklich nur eine nicht erneuerbare Energiequelle gegen eine andere? Sicher, Eisen und Aluminium gibt es ziemlich häufig, aber das Gleiche haben wir auch über Kohle gesagt. Wenn wir das gesamte Metall aus dem Boden geholt haben, könnten wir vielleicht noch ein paar Jahre oder Jahrzehnte mit recycelten Oxiden weitermachen. Hoffentlich haben wir bis dahin eine neue Lösung, wie den Bergbau auf dem Mond.