Die Brennstoffzelle – Energiequelle für die Zukunft?

Geeignet sind Wasserstoff oder auch Methanol. Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine oder auch Verbrennungsmotor, welche einen Generator antreibt. Dies geschieht durch die Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Arbeit.

Die Zelle ist geeignet die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen und damit potenziell effizienter zu sein.Sie arbeitet mit hohem Wirkungsgrad und niedriger Schadstoffemission. Durch ihren modularen Aufbau können sie große Leistungsbereiche von einigen Watt und Megawatt erzielen.

Das Prinzip

Das Prinzip ist eigentlich ganz simpel: Aus Wasserstoff und Sauerstoff entstehen Wasser, Strom und Wärme.

Wie funktioniert das?

Jede einzelne Zelle besteht aus gitterartige Elektroden (Anode und Kathode) getrennt durch eine halbdurchlässige Membran oder auch Sperrschicht, der Elektrolyt. Von der einen Seite kommt Wasserstoff von der anderen Sauerstoff. Daraus macht sie Strom. Dazu muss der Wasserstoff zerlegt werden. Jedes Wasserstoffgasmolekül wird gespalten in zwei Elektronen und zwei Protonen. Die Protonen werden durch die Membran auf die Sauerstoffseite geschleust. Die Elektronen fließen durch den Stromkreis dort hin. Diese Membran sorgt dafür, dass die Elektronen nicht einfach mit den Protonen mitwandern, sondern ganz ordentlich den Weg über den äußeren Stromkreis nehmen.Auf der Sauerstoffseite herrscht nämlich Elektronenmangel. Hier entsteht aus Protonen, Elektronen und Sauerstoff ganz normales Wasser. Hauptprodukt ist Strom neben dem Wasser. Es entsteht aber auch Abwärme.

Genutzt wird die Bewegungsenergie der von der Anode zur Kathode geleiteten Elektronen in Form von elektrischer Strom. Wird der Stromkreis nicht geschlossen, liegt zwischen den Elektroden eine entsprechende elektrische Spannung an.

Die chemische Reaktion in diesen Zellen ist nah verwandt mit einer Verbrennung, etwa der „Knallgasexplosion“ von Wasser- und Sauerstoff. Wegen der räumlichen Trennung von Elektronen- und Ionentransport wird im Unterschied kaum Wärme frei, man spricht deshalb auch von einer „kalten Verbrennung“. Die geringe Wärmeabgabe bedeutet gleichzeitig, dass wenig Energie verloren geht, so dass die Energiewandlung in einer Brennstoffzelle einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzt. Im Unterschied zur Energieumwandlung in Verbrennungsmotoren ist der Wirkungsgrad bei der Wandlung von chemischer Energie in elektrische Energie weit höher.

Der große Vorteil

Die Brennstoffzelle gilt als der Energieträger der Zukunft. Sie soll Großkraftwerke überflüssig machen, Hochspannungsleitungen könnten abgebaut werden. Autos würden ohne Abgase fahren und jedes Haus könnte seinen eigenen Strom erzeugen - ohne mechanische Teile, ohne Lärm und umweltfreundlich.

Brennstoffzellenantrieb für Autos

Seit Anfang der 1990er Jahre arbeiten die großen Automobilkonzerne daran, mit dieser Energiequelle Autos anzutreiben. Auch der Mineralölkonzern Shell hat ein Interesse daran. Doch rundherum abgasfrei ist diese Technik leider nicht. Denn um den Wasserstoff herzustellen, müssen derzeit noch konventionelle Energieträger wie Erdgas eingesetzt werden. Dabei entsteht aus Methan und Sauerstoff die Produkte Wasser aber auch das Treibhausgas Kohlendioxid. Im Mittelpunkt der umfangreichen Brennstoffzellen-Weiterentwicklungen stehen zwei wesentliche Probleme im Mittelpunkt: die hohen Kosten an sich und

die Bereitstellung von reinem H2, der unerlässlich für den Betrieb ist, für den es heute noch keine Infrastruktur gibt. Dazu kommt, dass H2 als Treibstoff nur als Druck- oder Flüssigwasserstoff mit zufriedenstellender Energiedichte gespeichert werden kann. Dazu kommt, dass bei Kfzs der Wirkungsgrad bis zum Rad auf 30 % sinkt. Das liegt an den zahlreichen Nebenaggregaten zum Betrieb und zur Überwachung. Diese Nebenverbrauche können bis zu 25 % gesenkt werden. Bei der Betrachung ist auch der Wirkungsgrad des Elektroantriebs nicht zu vernachlässigen.

Dennoch: Bei der heute eingesetzten Technik sparen das Prinzip etwa 25 % Energie ein und produzieren nur die Hälfte der Kohlendioxide. Auch der Verbrauch von fossilen Energieträgern, also Erdöl und Erdgas, wird künftig deutlich geringer sein als bei heutigen Fahrzeugen. Sonstige Schadstoffe wie Ruß oder Stickoxide fallen erst gar nicht an.

Noch ein weiter Weg zur Serienreife

Wir erinnern uns die ersten Brennstoffzellen waren noch so groß, dass sie nur in Transporter passten. Heute reicht ein Kleinwagen. Die Probleme mit den Wasserstofftanks scheinen auch gelöst. Denn um den Wasserstoff flüssig zu halten, muss er auf eine Temperatur von unter -253 Grad gekühlt werden. Neuartige Isolierungen sorgen dafür, dass die erforderlichen Temperaturen erreicht werden. Doch die aufwändigen technischen Lösungen treiben die Kosten nach oben, denn die Materialien sind noch sehr teuer.

Wasserstoff zu tanken ist in Deutschland schwierig. Zusätzlich ist die Treibstoffversorgung im allgemeinen ungelöst. Wenn man das Szenario anstellt alle Autos auf diesen Antrieb umzustellen, müssten immense Mengen von Wasserstoff hergestellt und herangeschafft werden. Dabei sind sich Automobilhersteller und Mineralölindustrie noch nicht einmal einig, wie die Autos und mit welchem Treibstoff versorgt werden sollen: Ob sie tatsächlich reinen Wasserstoff tanken sollen oder ob sie wie bisher Benzin, Diesel oder auch Methanol tanken und diese erst an Bord mit Hilfe sogenannter Reformer in Wasserstoff umgewandelt werden sollen.

Diese Lösung hätte den ernormen Vorteil, dass kein neues Netz reiner Wasserstoff-Tankstellen aufgebaut werden müsste, sondern die bestehende Infrastruktur weitergenutzt werden könnte. Nachteilig hierbei wäre jedoch, dass weiterhin nicht erneuerbare Energien wie Erdöl oder Erdgas verbraucht würden.

Fazit:

Viel Probleme und noch keine einzige zufriedenstellende Lösung, die diese Technik alltagtauglich macht in Sicht. Damit ist das Elektroauto angetrieben mit Lithuim-Batterien heute weitaus erfolgsträchtiger. zurück von der Brennstoffzelle zum Elektroauto