Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.
Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, sondern nur ein Wandler. Die Energie zur Stromproduktion wird mit den Brennstoffen zugeführt. Zusammen mit einem Brennstoffspeicher kann eine reversible Brennstoffzelle einen Akkumulator ersetzen, wodurch ein deutlich niedrigeres und günstigeres Leistungsgewicht erreicht werden kann, jedoch mit geringerem Wirkungsgrad.
Einordnung
Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist durch Verbrennung in einer Wärmekraftmaschine in Verbindung mit einem Generator über den Umweg der thermischen und der Bewegungsenergie. Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg zu erreichen und damit potenziell effizienter zu sein. Dabei unterliegt sie nicht den Restriktionen des Carnot-Prozesses. Zudem sind Brennstoffzellen im Vergleich zum System „Wärmekraftmaschine-Generator“ einfacher aufgebaut und können zuverlässiger und abnutzungsfester als diese sein.
Besonders vielversprechend ist dabei die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff ist aber nicht, wie teilweise irreführend dargestellt, eine Energiequelle, sondern – wie Strom – ein sekundärer Energieträger. Der Stoff kommt in der Natur nicht in reiner Form vor, da er (wie bei Methan (CH4)) schnell Bindungen eingeht.
Brennstoffzellen werden bereits als Energiewandler in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet. Eine breite gesellschaftliche Akzeptanz dieser Technik ist gegeben, und nach und nach kommen Produkte auf den Markt.
Bei einer Reihe von Problemen für kleinere Antriebe wie beim PKW ist noch nicht abzusehen, wann diese gelöst werden können. Einige Hersteller berichten von Problemen bei der Wasserstoffspeicherung. Die häufig diskutierte Verdrängung des Verbrennungsmotors als Automobilantrieb ist nach dem Marktauftritt von Hochleistungs-Akkumulatoren eher durch Hybrid-Antriebe mit E-Motoren denn als Hauptantrieb (z. B. GM-Volt) zu erwarten, da beim Brennstoffzellenantrieb die Kosten, das Gewicht und der Raumbedarf der Wasserstoffbehälter die Antriebseffizienz erheblich beeinträchtigen; siehe Mobiler Einsatz.
Geschichte
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde schon 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt [1], indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststellte. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Im gleichen Jahr schrieb Sir William Grove eine Notiz über das „batterisierte“ Knallgas und wandte diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an.
Aufgrund der Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens geriet die von ihm als „Galvanische Gasbatterie“ bezeichnete Erfindung zunächst in Vergessenheit, da die Dynamomaschine in Verbindung mit der Dampfmaschine bezüglich Brennstoff und Materialien relativ einfach und unkompliziert war.
Ihre Renaissance erlebte die Brennstoffzelle ab den 1950er Jahren mit der beginnenden Raumfahrtforschung. Sie gewinnt seitdem kontinuierlich an Bedeutung. Auf Island wird sie im Zuge der eingeführten Wasserstoffwirtschaft bald flächendeckend eingesetzt. Die momentan leistungsfähigste stationäre Brennstoffzelle ist eine Hochtemperatur-Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle und steht im Forschungszentrum Jülich.
Aufbau
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Die Anode ist mit dem Brennstoff umspült (also Wasserstoff, Methan, Methanol oder Glukoselösung), der dort oxidiert wird. Die Kathode ist mit dem Oxidationsmittel umspült (zum Beispiel Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder Kaliumthiocyanat), das dort reduziert wird.
Die verwendeten Materialien sind je nach Brennstoffzellentyp unterschiedlich. Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Nano-Carbon-Röhrchen. Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel Platin oder Palladium. Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen, Keramiken oder Membrane dienen.
Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 0,5 bis 1V (experimentell auch darüber) erreicht. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack (engl. für 'Stapel') in Reihe geschaltet. Unter Last bewirken die chemischen und elektrischen Prozesse ein Absinken der Spannung (nicht bei der Hochtemperatur-Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, MCFC).
Bei der Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC; oder Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) ist der Aufbau wie folgt:
- Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, beispielsweise aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe zum Beispiel von Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht).
- Poröse Carbon-Papiere.
- Reaktivschicht, meist auf die Ionomermembran aufgebracht. Hier stehen die vier Phasen Katalysator (Pt), Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien), Protonenleiter (Ionomer) und Porosität miteinander in Kontakt.
- Protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend.
Chemische Reaktion
Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch oxidiert und dabei unter Abgabe von Elektronen in Ionen umgewandelt. Diese gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert und reagiert gleichzeitig mit den durch den Elektrolyt zur Kathode gewanderten Protonen zu Wasser.
Brennstoffzellen mit einem derart beschriebenen Aufbau heißen Polymermembran-Brennstoffzellen, PEMFC (für Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) oder auch PEFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell).
Reaktionsgleichungen für eine PEMFC:
| Saurer Elektrolyt | Gleichung |
|---|---|
| Anode | Oxidation / Elektronenabgabe |
| Kathode | Reduktion / Elektronenaufnahme |
| Gesamtreaktion | Redoxreaktion / Zellreaktion |
Brennstoffzellentypen
| Bezeichnung | Elektrolyt | Mobiles Ion |
Anodengas | Kathodengas | Leistung | Betriebs- temperatur |
elek. Wirkungsgrad | Stand |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AFC (Alkaline Fuel Cell) | Kalilauge | OH- | Wasserstoff | Sauerstoff | 10 – 100 kW | unter 80 °C | Zelle: 60 – 70 % System: 62 % |
kommerziell/Entwicklung |
| PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) | Polymer- Membran |
H3O+ | Wasserstoff | Luftsauerstoff | 0,1 – 500 kW | 60 – 80 °C, | Zelle: 50 – 70 % System: 30–50 % |
kommerziell/Entwicklung |
| DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) | Polymer- Membran |
H+ | Methanol (flüssig) | Luftsauerstoff | mW bis 100 kW | 90 – 120 °C | Zelle: 20 – 30 % | kommerziell/Entwicklung |
| PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) | Phosphorsäure | H3O+ | Wasserstoff | Luftsauerstoff | bis 10 MW | 200 °C | Zelle: 55 % System: 40 % |
Entwicklung |
| MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) | Alkali- Carbonat- Schmelzen |
CO32- | Wasserstoff, Methan, Kohlegas | Luftsauerstoff | 100 MW | 650 °C | Zelle: 55 % System: 47 % |
Entwicklung/ Kommerzialisierungsphase |
| SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) | oxidkeramischer Elektrolyt | O2- | Wasserstoff, Methan, Kohlegas | Luftsauerstoff | bis 100 MW | 800 – 1000 °C | Zelle: 60–65 % System: 55–60 % |
Entwicklung |
Energiewirtschaft
Die Abwendung von fossiler Primärenergie hin zu erneuerbaren Energien (Wind, Sonne, Wasser, Geothermie, Biomasse usw.) ist eine entscheidende Herausforderung für unsere Gesellschaft. Dass dieses Thema nur global angegangen werden kann, ist im Zuge der aktuellen Klimaänderungsdiskussion selbstverständlich.
Der gesamte Primärenergieverbrauch in Deutschland basierte 2005 zu 85 % auf fossiler Primärenergie (Braun- und Steinkohle, Erdgas und -öl) und nur zu gut 5 % auf erneuerbarer Energie (Rest: Kernenergie und sonstige). Vom gesamten Primärenergiebedarf in Deutschland (im Jahr 2006 etwa 14.500) entfallen immerhin etwa 15 % (im Jahr 2006 etwa 600 Mrd. kWh oder 2.200 PJ) auf die Erzeugung und Nutzung von elektrischer Energie (Strom) PJ.[2] Alle fossilen Primärenergieträger emittieren bei der Verbrennung Kohlendioxid (CO2), das unter anderem für die weltweiten Klimaveränderungen verantwortlich gemacht wird.
Um diese CO2-Emissionen zu reduzieren stehen bei den aktuellen Diskussionen zwei wichtige Ziele im Vordergrund. Erstens die Erhöhung der Effizienz bei der Energieumwandlung und somit die Möglichkeiten der Energieeinsparung generell und zweitens die Suche nach erneuerbaren Energien, die eine umweltfreundliche und CO2-neutrale Energienutzung ermöglichen.
Die Energiewirtschaft kann grob in zwei wichtige Bereichte aufgeteilt werden. Erstens die Versorgung mit elektrischer Energie (Strom) und Heizenergie (Wärme) für den stationären Bereich (Industrie, Privathaushalte). Zweitens die Aufrechterhaltung der Mobilität unserer Gesellschaft (Betrieb von PKW, Bussen, Zügen, Schiffen, Flugzeugen usw.). Ziel ist, diese beiden Bereichte der Energiewirtschaft mit erneuerbaren Energien nachhaltig zu versorgen und die dortigen Bedürfnisse abzudecken.
Energiequellen und Energieträger
Beim Vergleich zwischen fossilen und erneuerbaren Energien muss zwischen Energiequelle (z. B. Sonnen, Wind, Biomasse, …) und Energieträger (z. B. Kohle, Erdgas, Erdöl, Uran, …) unterschieden werden. Warum ist diese Unterscheidung so wichtig? Sie ist deshalb wichtig, weil wie oben gezeigt ein Großteil unserer derzeit genutzten Energie auf fossilen Energieträgern und nicht auf Energiequellen basiert. Wir bedienen uns im Moment einer „Energiequelle“ die tatsächlich ein Energieträger ist, der irgendwann aufgebraucht sein wird. Oder anders formuliert: Wir nutzen im Moment die Energie, die die Sonne vor Millionen von Jahren erzeugt und in Form fossiler Energieträger gespeichert hat. Ein erneuter Aufbau der fossilen Energieträger würde Millionen Jahre brauchen.
Am Beispiel von Erdöl lässt sich die endliche Verfügbarkeit fossiler Energieträger in Zahlen wie folgt darstellen. Die industrielle Förderung von Erdöl begann um das Jahr 1860, wobei Erdöl bereits vor 12.000 Jahren genutzt wurde. Heute genutzte Erdölvorkommen sind 300 bis 400 Millionen Jahre alt. Bis heute wurden insgesamt ca. 900 Mrd. Barrel auf der Erde gefördert. Der weltweite Rohölbedarf beträgt aktuell 85 Mio. Barrel pro Tag oder 30 Mrd. Barrel pro Jahr. Das bedeutet, dass wir aktuell jährlich etwa 1/30stel des bisher insgesamt geförderten Erdöls nutzen. Es ist nur logisch, dass diese Erdölmenge durch natürliche Prozesse (schnelle Erdöl-Entwicklungsprozesse dauern ca. 15.000 Jahre) nicht nachgeliefert werden kann! Sehr langsam, aber auch sehr sicher werden wir die weltweit vorhandenen fossilen Energieträger aufgebraucht haben.
Nachhaltige Energiepolitik
Eine nachhaltige Energiepolitik ist dann gegeben, wenn der Energieverbrauch und die Energieerzeugung (durch erneuerbare Energiequellen) identisch sind. Eine Windkraftanlage arbeitet dann nachhaltig, wenn über die gesamte Laufzeit betrachtet inklusive ihrer eigenen Herstellung die Energiebilanz positiv ist. Die aktuellen Kraftstoffe für den mobilen Einsatz von PKWs sind Benzin und Diesel. Diese müssen für eine nachhaltige Energiepolitik durch alternative Kraftstoffe ersetzt werden.
Erneuerbaren Energien liefern häufig elektrische Energie, zum Beispiel bei Photovoltaik, Windgeneratoren und Wasserkraftwerken. Diese erneuerbaren Primärenergien haben im Vergleich zu fossilen drei entscheidende Nachteile:
- Speicherung
Der erste Nachteil ist die Energiespeicherung. Sonnenenergie und elektrische Energie können in größeren Mengen nicht so einfach gespeichert werden. Öl, Erdgas und Kohle (und notfalls auch Uran) können in geeigneten Behältern verlustfrei und nahezu beliebig lange gespeichert und damit auch transportiert werden. Bei Sonne-, Wind- und Wasserkraft ist das so erst einmal nicht möglich.
Drei Bedingungen muss die Speicherung von Energie genügen. Erstens muss die Speicherung selbst möglichst verlustfrei erfolgen. Verlustfrei bedeutet, dass man die Energie, die in den „Behälter“ gefüllt wird, nach einer bestimmten Zeit auch wieder vollständig herausholen kann. Kein Mensch würde es akzeptieren, dass bei einem in der Garage stehenden Auto am Ende des Sommerurlaubs der Tank leer ist. Zweitens muss die Überführung in den Speicher und drittens die Entnahme aus dem Speicher ebenfalls möglichst verlustfrei erfolgen können. Der Aufwand zum „Befüllen“ des Behälters muss gerechtfertigt sein. Es ist unter Umständen wenig sinnvoll, einen gasförmigen Brennstoff in einem Druckbehälter zu speichern, wenn für die Kompression ein Vielfaches des Energieinhalts des Gases selbst aufgewendet werden muss.
Die Speicherung der durch erneuerbare Energien anfallenden Energie muss diesen genannten Punkten genügen. Es gilt also eine geeignete Speicherform zu finden, die Energie aus erneuerbaren Quellen sinnvoll und mit hohem Wirkungsgrad speichern kann.
- Bedarfsgerechte Verfügbarkeit
Der zweite Nachteil ist der, dass erneuerbare Primärenergien nicht immer bedarfsgerecht anfallen, sondern von Wind, Wetter (Sonne) und Gezeiten abhängig sind. Fossile Primärenergieträger sind bei Bedarf nutzbar. So kann ein Kohlekraftwerk relativ einfach in der Leistung angepasst werden, da die zugeführte Kohlenmenge verändert werden kann.
- Mobilität
Der dritte Nachteil der regenerativen Primärenergien ist, dass die zumindest bei größeren Anlagen ortsgebunden (z. B. Windkraftanlagen, Gezeitenkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Photovoltaik-Felder usw.) sind. Kohle dagegen kann mobil genutzt werden (früher beispielsweise in einer Dampflokomotive).
Diese drei Nachteile der erneuerbaren im Vergleich zu den fossilen Energieträgern werfen die Frage der Energiespeicherung allgemein auf. Wie im vorherigen Abschnitt angesprochen, stellt sich diese Frage bei fossilen Primärenergieträgern nicht und ist aus diesem Grund eine große Herausforderung. Energie kann ganz allgemein in verschiedenen Formen gespeichert werden, beispielsweise elektrische Energie in Batterien und Akkumulatoren, mechanische in einem Schwungrad, kinetische in Pumpspeicherkraftwerken, chemische Energie in Brennstoffen wie Holz oder Gas und thermische Energie in wärmegedämmten Behältern. Energiespeicherung bedeutet immer Verlust eines Teils der eingesetzten Energie. Die Ausnahme bilden einige fossile Energieträger wie Kohle oder Erdöl. Aber auch Sekundärenergieträger wie Bioethanol oder Biodiesel als Kraftstoffe können nahezu verlustfrei gespeichert werden.
Nachhaltiger Energieträger
Mit dem Ziel, von fossilen Energieträgern weg und hin zu nachhaltigen erneuerbaren Energieträgern zu kommen, beginnt die Suche nach geeigneten Alternativen. Biokraftstoffe wie Bioethanol oder Biodiesel sind mögliche alternativen für mobile Anwendungen. Gesucht wird aber auch nach Energieträgern, über die wertvolle elektrische Energie einfach verfügbar gemacht werden kann. Direkte elektrische Energiespeicher wie Hochleistungsbatterien, -akkumulatoren und -kondensatoren (letztere für kurzfristiges Speichern) sind eine Möglichkeit. Eine andere Möglichkeit sind Energieträger, die sich einfach aus elektrischer Energie herstellen und umgekehrt auch wieder einfach in elektrische Energie umwandeln lassen. Mit diesem Ziel im Visier stößt man fast zwangesläufig auf Wasserstoff (H2), dem ersten und einfachsten chemischen Element im Periodensystem als Energieträger. Weil reiner Wasserstoff aber nicht in der Natur vorkommt, sondern erst mit Energieaufwand hergestellt werden muss, spricht man von einem Sekundärenergieträger.
Aber warum gerade Wasserstoff? Wasserstoff lässt sich durch Elektrolyse aus elektrischer Energie mit brauchbarem Wirkungsgrad (>85 %) herstellen. Wasserstoff lässt sich relativ einfach speichern, auch wenn die Speicherthematik für den mobilen Einsatz noch nicht zufriedenstellend gelöst ist. Wasserstoff verbrennt ohne CO2-Emission. Und letztendlich kann Wasserstoff in Brennstoffzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Die zentrale Frage dabei ist der Wirkungsgrad. Wie viel elektrische Energie erhalte ich von der anfänglich zur Speicherung eingesetzten wieder zurück? Bei Akkus liegt der Wirkungsgrad je nach Typ bei etwa 75 %, bei Wasserstoff unter 50 %. Dennoch hat Wasserstoff einige Vorteile gegenüber Akkus (siehe unten). So kann Wasserstoff z. B. in großen Mengen und über längere Zeiträume verlustarm gespeichert werden.
Energiewirtschaft der Brennstoffzelle
Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle erscheint vielen Experten ökologisch besonders interessant: Wasserstoff kann durch Einsatz erneuerbarer Energien gewonnen werden, während der Sauerstoff aus der Erdatmosphäre zugeführt werden kann. So kann zum Beispiel Solartechnik genutzt werden, um den Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Dies ist vor allem für Inselanwendungen interessant. Kostengünstiger ist allerdings die direkte chemische Umwandlung von Biomasse in Wasserstoff mittels Reformierungstechnologien, die z. B. Biomasse in Wasserstoff umwandeln. Diese Methode bietet neue Aussichten für eine nachhaltige Energieerzeugung.
Die Umwandlung von Primärenergie in Wasserstoff ist effizienter als die Umwandlung von Primärenergie zu Strom. Das ist einer der Gründe, weshalb eine solare Wasserstoffwirtschaft der heutigen Energiewirtschaft ökonomisch überlegen wäre. In der Praxis hat etwa die Kette Solarstrom → Wasserstoff → Brennstoffzellen-PKW einen besseren Wirkungsgrad als die Kette Solarstrom → Stromnetz → Batterie → Elektro-PKW. Eine solare Wasserstoffwirtschaft wäre überdies CO2-emissionsfrei und somit klimaneutral.
Voraussetzung wäre allerdings eine Infrastruktur für Lagerung und Transport von Wasserstoff, die eine besondere technische, organisatorische und ökonomische Herausforderung darstellt. Die Forschung über geschlossene, nachhaltige Energiekreisläufe wird mit öffentlichen Geldern unterstützt.
Am 12. September 2005 verabschiedete das Europäische Parlament das Wasserstoffmanifest, worin eine grüne Wasserstoffwirtschaft in kürzestmöglicher Zeit gefordert wird. Europa könne damit die Energiepreise für Strom, Wärme und Verkehr deutlich reduzieren und wäre energieautark, also nicht abhängig von den Lieferanten fossiler Rohstoffe.
Anwendungen
Die ersten Anwendungen von Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen, in denen die Kosten keine Rolle spielten, wobei die spezifischen Vorteile gegenüber billigen Dieselgeneratoren überwogen. Brennstoffzellen sind leichter als Akkumulatoren und zuverlässiger und leiser als Generatoren. Zudem arbeiten Brennstoffzellen effizienter als Verbrennungsmotoren.
Die besondere Stärke von Brennstoffzellen ist jedoch die hohe Energiedichte, wodurch sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technik erklärt. Der Vorteil der Energiedichte wird jedoch bei Akkumulatoren, bei denen der Elektrolyt aus einem Tank an den Elelektroden vorbeigepumpt wird, großteils aufgehoben.
Mobiler Einsatz
- Hauptartikel Brennstoffzellenfahrzeug
Mehrere Automobilfirmen (unter anderem BMW, Volkswagen, Toyota, DaimlerChrysler, Ford, Honda, General Motors/Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die zur Energieumwandlung Brennstoffzellen sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 sowie Mercedes-Benz F-Cell von DaimlerChrysler. Das schweizerische Hy-Light-Fahrzeug rückte 2004 ins Licht der Öffentlichkeit. Derzeit gehen einige MAN-Brennstoffzellenbusse in Berlin für die BVG in Betrieb. [3] Bei BMW ist die Brennstoffzelle nicht originär zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie gedacht. Das Konzept sieht hier vor, im von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Wasserstoff-Fahrzeug (z. B. 7er Baureihe, Typ E68) das permanent aus dem Wasserstofftank abdampfende Gas in einer Brennstoffzelle zur Stromversorgung des Fahrzeuges zu nutzen, anstatt den Wasserstoff ins Freie entweichen zu lassen.
Förderlich für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war in den USA insbesondere der Zero emission act bzw. das Zero Emission Vehicle mandate (ZEV), die vorsehen, dass Autos zukünftig abgasfrei fahren sollen. Für das Jahr 2003 war vorgesehen, dass 10 % aller neu zugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten. Kurz vorher, nach massivem Druck der amerikanischen Automobilindustrie, wurde das ZEV jedoch gekippt, wenn es auch weiterhin diskutiert wird.
Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren und Großstädten wird eine Verbesserung der dortigen Luftqualität erwartet. Ein Nebeneffekt wäre allerdings, dass die Emissionen vom Ort der Fahrzeugnutzung dorthin verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird, soweit dies nicht aufgrund regenerativer Verfahren erfolgt. Der Wasserstoff wird mittels Elektrolyse hergestellt, wofür sehr viel Strom benutzt werden muss, dessen Erzeugung mehr Energie verbraucht, als letztendlich im Wasserstoff "drinsteckt".
Für den breiten Einsatz der mobilen Wasserstoffanwendungen ist der gleichzeitige Aufbau von Wasserstofftankstellen erforderlich. Am sinnvollsten geschieht das durch den Umbau der Energiewirtschaft zu einer Wasserstoffwirtschaft. Für die Mitnahme von Wasserstoff in Fahrzeugen kommen neben Druckbehältern auch andere Formen der Wasserstoffspeicherung in Frage, beispielsweise in Metallhydriden oder unter hohem Druck und niedriger Temperatur als flüssiger Wasserstoff.
Trotz des hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle gestaltet sich die Abfuhr der Abwärme auf dem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau der PEM-Brennstoffzelle von etwa 80°C als problematisch, denn im Gegensatz zum verbrennungsmotorischen Antrieb beinhaltet das relativ kalte Abgas (Wasserdampf) nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge. Demzufolge ist man bestrebt, die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle auf über 100°C anzuheben, um leistungsstärkere Brennstoffzellen-Automobile mit mehr als 100 kW realisieren zu können.
Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes kann die Startfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund gefrierenden Wassers beeinträchtigt sein. Es muss sichergestellt sein, dass die elektrochemische Reaktion, insbesondere die Diffusion der Brenngase, nicht durch Eisbildung behindert wird. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Elektrodenstruktur erzielt werden. Verschiedene Hersteller haben 2003 und 2004 bereits nachgewiesen, dass der Gefrierstart von PEM-Brennstoffzellen bei Temperaturen von bis zu -20°C möglich ist; die Startzeiten seien mit denen von Verbrennungsmotoren vergleichbar.
Die schon seriennah verfügbaren Prototypen kleinerer Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe, das Gewicht und die Kosten der Brennstoffzelle und eine geeignete Speicherung des Wasserstoffes zu erproben. So hat DaimlerChrysler Fahrzeuge der A-Klasse mit Brennstoffzellen vorgestellt. In Hamburg und Stuttgart werden Busse mit Wasserstoffantrieb im normalen Linienbetrieb getestet.
Bei U-Booten ist Deutschland der einzige Anbieter eines serienmäßig hergestellten Modells mit Brennstoffzellen-Antrieb. Die HDW Kiel in Kooperation mit Siemens und Nordseewerke Emden liefert seit 2005 die U-Boot-Klasse 212 mit einem solchen Antrieb (AIP: air independent propulsion) aus. Er leistet ca. 300 kW (408 PS).
Seit 2007 fahren im Fuhrpark des Bundesverkehrsministeriums die ersten Autos mit Brennstoffzellen-Antrieb.
Mögliche Alternativen zur direkten Wasserstoffspeicherung sind Treibstoffe wie Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren gewonnen wird.
Diese Verfahren tragen jedoch in nicht unerheblichem Maße durch CO2-Ausstoß zur Umweltbelastung bei, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt. Dies ist jedoch dann nicht der Fall, wenn die Treibstoffe aus regenerativ erzeugter Biomasse stammen. Die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren krankt heute zudem am Katalysator, deren beste Varianten das teure Platin enthalten.
Seit Mitte 2005 sind Brennstoffzellen auch in der Luftfahrt anzutreffen. Eine erste Drohne, deren Elektromotoren von einer Brennstoffzelle angetrieben werden, startete in Yuma, Arizona. Das DLR arbeitet zur Zeit an der Integration der Brennstoffzellentechnik in das unbemannte Forschungsflugzeug „HyFish“, welches im März 2007 in der Nähe von Bern erfolgreichen seinen Erstflug absolvierte. [4]
Ende Oktober 2006 erklärte VW den endgültigen Durchbruch bei der Herstellung von kostengünstigen, leistungsfähigen Brennstoffzellen im Hochtemperaturbereich. Probleme werden weniger beim Durchbruch der Brennstoffzellentechnik auf der Fahrzeugseite, sondern mehr in der kostengünstigen und dabei umweltschonenden Gewinnung von Wasserstoff gesehen. [5]
Portabler Einsatz
Geplant ist auch die Anwendung von portablen Brennstoffzellen als Ersatz von Batterien und Akkus in kleineren Geräten wie Laptops. Dies verspricht längere Einsatzzeiten, daneben ist ein Nachfüllen abseits vom Stromnetz durch Methanol möglich. Unter den Anbietern finden sich auch deutsche Unternehmen. Typische Einsatzgebiete sind Observation, Umweltmesstechnik und Telekommunikation, Filmkameras, Notebooks, Reisemobile und Segelboote. Haupthemmnis für eine breite Einführung ist die unbefriedigende Situation bei den Technologien zur Speicherung von Wasserstoff in kleinen Mengen.
Durch den Größenvergleich mit anderen Anwendungen nennt man die portable Technik auch häufig „Miniaturbrennstoffzellen“.
Stationärer Einsatz
In einem Blockheizkraftwerk (BHKW) wird nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) die bei der Erzeugung von elektrischer Energie immer auch gleichzeitig entstehende Wärme mit genutzt. Dieses Vorgehen hat einen prinzipiellen Wirkungsgradvorteil gegenüber der getrennten Umwandlung Strom und Wärme. Auf Seiten der Stromversorgung liegt der Vorteil der dezentralen Erzeugung in der Vermeidung von Umspann- und Leitungsverlusten im Netz der Energieversorger in Höhe von bis zu sechs Prozent. Auf der Wärmeseite wiederum entfallen die Transportverluste, die selbst bei vollständiger Nutzung der Abwärme eines Elektrizitätswerkes unvermeidlich sind. Dadurch kann ein energetischer und klimaschutzpolitischer Vorteil erreicht werden.
Zum Zweck der Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität und Gas gibt es das Energiewirtschaftsgesetz von 2005. Im §3 Begriffsbestimmungen steht: „Umweltverträglichkeit bedeutet, dass die Energieversorgung den Erfordernissen eines nachhaltigen, insbesondere rationellen und sparsamen Umgangs mit Energie genügt, eine schonende und dauerhafte Nutzung von Ressourcen gewährleistet ist und die Umwelt möglichst wenig belastet wird, der Nutzung von Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbaren Energien kommt dabei besondere Bedeutung zu.“
Bedingt durch die Kinetik der in der Brennstoffzelle ablaufenden chemischen Reaktion entstehen Strom und Wärme immer zu gleicher Zeit und in einem ganz bestimmten Verhältnis zueinander. Innerhalb physikalischer und technischer Grenzen kann dieses Verhältnis abhängig von Betriebspunkt der Brennstoffzelle frei eingestellt werden. Das genaue Verhältnis von Strom und Wärme wird durch die Thermodynamik der chemischen Reaktion definiert und kann als Funktion der Zellspannung dargestellt werden. Generell gilt: Je niedriger die Zellspannung, desto mehr Wärme im Verhältnis zum erzeugten Strom.
Der stationäre Einsatzbereich eines Brennstoffzellensystems erstreckt sich über einen weiten Leistungsbereich, angefangen bei kleinen Systemen mit einer Leistung von zwei bis fünf Kilowatt elektrischer Leistung bis hin zu Systemen mit mehreren hundert Kilowatt. Kleinere Systeme finden ihre Anwendung in der Energieversorgung von Einfamilienhäusern, größere Systeme werden in Krankenhäusern, Schwimmbädern oder für die Versorgung von kleinen Kommunen eingesetzt.
Ein Brenstoffzellen-BHKW (BZ-BHKW) besteht aus mehreren Komponentenbaugruppen. Die wichtigsten davon sind die Gasaufbereitung oder –bereitstellung, das BZ-System selbst, die elektrische Leistungselektronik und die dazugehörige Regelung der Betriebsführung. Zur Deckung von thermischen Lastspitzen sind meist zusätzlich konventionelle Kessel in einem BZ-BHKW eingebaut.
Reformer
Jedes BZ-System kann direkt mit Wasserstoff als Brenngas betrieben werden. Bedingt durch die bereits verfügbare Infrastruktur werden die BZ-BHKWs jedoch nicht direkt mit Wasserstoff, sondern mit Erdgas (oder Flüssiggas) betrieben. Je nach BZ-Typ (siehe oben) muss das Erdgas vor der Umsetzung in der Brennstoffzelle erst in Wasserstoff umgewandelt werden. Dies geschieht in einem sogenannten Reformer. In dem Reformer wird Erdgas (oder allgemein kohlenwasserstoffhaltige Gase oder Flüssigkeiten) über einen Katalysator bei erhöhter Temperatur in ein wasserstoffreiches Gas (Reformat) umgewandelt. Hierbei kommen verschiedene Reformierungsprozesse in Frage (siehe Reformierung).
Stationäre Brennstoffzellensysteme
Für den stationären Anwendungsbereich kommen prinzipiell alle verschiedenen Typen von Brennstoffzellen in Frage. Aktuelle Entwicklungen fokussieren sich aber auf folgende drei Typen SOFC, MCFC und PEMFC. Die SOFC und die MCFC haben den Vorteil, dass bedingt durch die hohen Temperaturen Erdgas direkt als Brenngas eingesetzt werden kann. Der Reformierungsprozess läuft dabei in der Brennstoffzelle intern ab, was einen Reformer weitgehend überflüssig macht. Die Niedertemperatur-PEMFC benötigt dagegen eine Reformereinheit mit einer aufwändigen Gasreinigungsstufe, weil das Reformat weitgehend von CO befreit werden muss. (CO entsteht bei jeder Reformierung von Kohlenwasserstoffen) CO ist bei diesem BZ-Typ ein Katalysatorgift und reduziert sowohl die Leistung als auch die die Lebensdauer der Zelle signifikant.
Die beiden Hochtemperatur-BZ SOFC und MCFC haben im stationären Bereich weitere Vorteile gegenüber der Niedertemperatur-PEMFC. Beispielsweise kann die heiße Abluft zur Sterilisation genutzt werden. Ein Nachteil der hohen Temperatur dagegen ist die lange Anfahr- und Abschaltphase. Ein Niedertemperatur-PEMFC-System kann bei Bedarf relativ schnell komplett aus- und wieder eingeschaltet werden.
Betriebsweise
Bei der stationären BZ-Anwendung steht die Wärmeproduktion gegenüber der Stromproduktion im Vordergrund. Diese Systeme werden deshalb meist wärmebedarfsgeführt betrieben. Das bedeutet, dass die Systemleistung nach der benötigten Wärmemenge geregelt wird, während der produzierte elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Stationäre BZ-Systeme werden am besten mit einer geringen Leistungsmodulation betrieben. Idealerweise wird der Wärmegrundlastbedarf komplett über das BZ-BHKW gedeckt. (Wärme-)Lastspitzen werden über konventionelle Heizgeräte abgedeckt. Auf diese Weise arbeitet das stationäre BZ-System bei lediglich einem einzigen konstanten Lastpunkt. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Systems optimal ausgelegt werden. Außerdem hat der Betrieb bei einer konstanten Last Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer des BZ-Systems.
Brandschutz mit der Brennstoffzelle
Ein neues Anwendungsgebiet ist der Brandschutz. Hierzu wird die bislang ungenutzte Abluft der Brennstoffzelle (erhöhter Stickstoffanteil) gezielt zur Sauerstoffreduktion verwendet. Sinkt der Sauerstoffgehalt in geschlossenen Räumen, so kann eine Brandwahrscheinlichkeit entscheidend gemindert oder sogar ausgeschlossen werden (jeweils abhängig von dem zu schützenden Material; z. B. können Feststoffe unter 15 Volumenprozent O2 nicht mehr brennen).
Beispiel: Haus- Energiesystem mit der Brennstoffzelle
Die Firma Viessmann plant ab 2010 die Markteinführung von einer Haus-Energiezentrale auf der Basis einer Brennstoffzelle, die darauf ausgelegt ist, die Grundlast eines Einfamilienhauses an Wärme und Strom zu decken.
Technische Daten:
- PEM-Brennstoffzelle
- elektrische Leistung: 2 Kilowatt und
- eine Heizleistung von 3,5 Kilowatt.
Der elektrische Wirkungsgrad soll bei mehr als 32 Prozent liegen, der Gesamtwirkungsgrad bei mindestens 87 Prozent.
Zur Abdeckung von Spitzenlasten kann ein Gas-Brennwertgerät das System ergänzen. Dieses steuert zusätzliche Wärme bei, wenn besonders große Wärmemengen benötigt werden, beispielsweise an sehr kalten Wintertagen. Wärme, die aktuell im Gebäude nicht benötigt wird, kann in einem Heizwasserpufferspeicher bevorratet werden.
Reicht die Stromerzeugung des Brennstoffzellensystems nicht aus, um den momentanen Bedarf zu decken, wird elektrischer Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen.
Das Brennstoffzellensystem soll wärmegeführt betrieben werden. Das bedeutet, dass die aktuelle Leistung des Systems dem momentanen Wärmebedarf angepasst wird und nicht dem Strombedarf. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass eine Brennstoffzelle immer Strom und Wärme gleichzeitig produziert und überschüssige elektrische Energie ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann, während die Speicherung von überschüssiger Wärme weniger effektiv ist.
Bisherige Testergebnisse lassen eine etwa 23-prozentige Ersparnis an Energiekosten und etwa 18 Prozent weniger CO2-Ausstoß gegenüber einem konventionell mit Strom und Erdgas versorgten Einfamilienhaus erwarten.
Feldtests sollen 2007 begonnen werden, und ab 2008 sind Demonstrationsanlagen in ausgesuchten Objekten geplant.
Mikrobielle Brennstoffzellen
Über eine sogenannte mikrobielle Brennstoffzelle (auch Bio-Brennstoffzelle genannt) sollen sich künftige Robotergenerationen selbst mit Treibstoff und Energie versorgen können. Mikroben in dieser Brennstoffzelle setzen die in organischem Material enthaltene Energie in Elektrizität um.
Diese Technik könnte auch für Agrarwirtschaften von Entwicklungsländern vorteilhaft sein, wo mit diesem neuen Ansatz aus Biomasse direkt Strom erzeugt wird. Dies ist jedoch ferne Zukunft, da beim jetzigen Forschungsstand die Effizienz der Umwandlung noch zu gering ist.
Es ist jedoch geplant, solche Brennstoffzellen in Kläranlagen zur Klärschlammbeseitigung zu benutzen und hierbei noch Energie zu gewinnen.
Siehe auch
Literatur
- Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg, 2003, ISBN 3528039655.
- Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen, 2. Auflage. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3937863044.
- Krewitt, Pehnt, Fischedick, Temming: Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung – Ökobilanzen, Szenarien, Marktpotenziale. Erich Schmidt Verlag, Berlin 2004, ISBN 3503078703.
- U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory: Fuel Cell Handbook, Sixth Edition. EG&G Technical Services Inc., Science Applications International Corp., Under Contract No. DE-AM26-99FT40575, Morgantown, W. Virginia, November 2002.
- Peter Gerigk, Detlef Bruhn, Dietmar Danner, Leonhard Endruschat, Jürgen Göbert, Heinrich Gross, Dietrich Kruse, Christian Rasmussen, Rainer Schopf: Kraftfahrzeugstechnik, 5. Auflage. Westermann Verlag, Braunschweig 1997, ISBN 3142318003.
- Wie funktioniert das? – Technik heute. Meyers Lexiconverlag, 1998 Mannheim, ISBN 3411088540.
Quellen
Weblinks
- [http://www.H2yOu.eu
- Brennstoffzellen, Funktionsweise und Anwendungen made by BIGS
- Brennstoffzellen und Wasserstoff unter dem Aspekt einer nachhaltigen Energieversorgung
- Forschungszentrum Jülich GmbH – Brennstoffzellenseiten
- Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e.V. Informationen und Praxisanwendungen zur Brennstoffzelle
- Roads2HyCom – von der EU-Kommission gefördertes Projekt zu Wasserstoff und Brennstoffzellen
- Wasserstoff löst keine Energieprobleme
- Initiative Brennstoffzelle
- Ratgeber für Wasserstoff und Brennstoffzellen
- heise.de – Kritik an der Effizienz einer Wasserstoffwirtschaft
- [1] – Initiative Brennstoffzelle
