Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist mit Generatoren über den Umweg der thermischen Energie und der Bewegungsenergie, der sich aus der Verbrennung eines chemischen Stoffes ergibt. Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg zu erreichen, und damit potenziell effizienter zu sein. Dabei unterliegt sie nicht den Restriktionen des Carnot-Prozess. Weiterhin sind Brennstoffzellen im Vergleich mit Generatoren einfacher aufgebaut und können zuverlässiger und abnutzungsfester als diese sein.
Besonders vielversprechend ist dabei die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff ist aber nicht, wie teils irreführend dargestellt, eine Energiequelle, sondern, wie Strom, ein sekundärer Energieträger. Der Stoff kommt in der Natur nicht rein vor, da er schnell Bindungen eingeht, so bei Methan (CH4 - Erdgas).
Brennstoffzellen werden bereits als Energiewandler in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet. Eine breite gesellschaftliche Akzeptanz der Technologie ist gegeben, doch wird sie heute noch nicht in Form von marktfähigen Produkten durch die Industrie bereitgestellt.
Bei einer Reihe von Problemen für kleinere Antriebe wie bei 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 scheint somit ein gutes Stück entfernt - siehe Mobiler Einsatz.
Im Jahr 2005 kündigte der Elektronik-Riese Toshiba zwei MP3-Player an, die mit einer winzigen Methanol-Brennstoffzelle angetrieben werden sollen - die Marktreife wird für 2007 erwartet.
Geschichte
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt *, 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 selben 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.
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. Sie 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 in Reihe geschaltet.
Bei der Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) 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 Hydronium-Ionen umgewandelt. Diese 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 Hydronium-Ionen zu Wasser.
Die ersten Anwendungen der Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen, in denen die Kosten keine Rolle spielten, dagegen die spezifischen Vorteile gegenüber billigen Dieselgeneratoren überwogen. Brennstoffzellen sind leichter und effizienter als Akkumulatoren und zuverlässiger und leiser als Generatoren. So erklärt sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technologie.
Energiewirtschaft
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. Kostengünstiger ist allerdings die direkte chemische Umwandlung von Biomasse in Wasserstoff mittels Steam-Reforming, was neue Aussichten für eine nachhaltige Energieerzeugung bietet.
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 emissionsfrei und klimaneutral.
Voraussetzung wäre allerdings eine Infrastruktur für Lagerung und Transport von Wasserstoff, die u.a. wegen des besonders hohen Diffusionsvermögens eine besondere technische, organisatorische und ökonomische Herausforderung darstellt. Die Forschung über geschlossene, nachhaltige Wirtschaftskreisläufe wird gleichwohl weiterhin mit öffentlichen Geldern unterstützt.
Am 12. Sept. 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.
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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 *.
Bei BMW ist die Brennstoffzelle nicht originär zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie gedacht. Das Konzept sieht hier vor, im von einem Verbrennungsmotor angebtriebenen 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.
Für den beiten Einsatz der mobilen Wasserstoff-Anwendungen 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, beipielsweise 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, durch Eisbildung nicht 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 bereits 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 gezeigt. 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 HDWKiel in Kooperation mit NordseewerkeEmden liefert seit 2005 die U-Boot-Klasse 212 und die neuen U-Boote der israelischen Dolphin-Klasse mit einem solchen Antrieb (AIP: air independent propulsion) aus. Er leistet ca. 300 kW (408 PS).
Mögliche Alternativen zur direkten Wasserstoffspeicherung sind Treibstoffe wie Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren abkatalysiert gewonnen wird.
Diese Verfahren erzeugen jedoch nennenswerte Mengen an CO2, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt (außer 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 Brennstoffzellentechnologie in das unbemannte Forschungsflugzeug Hyfish.
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 unbefriedingende Situation bei den Technologien zu Speicherung von Wasserstoff in kleinen Mengen.
Durch den Größenvergleich mit anderen Anwendungen nennt man die portable Technik auch häufig "Miniaturbrennstoffzellen".
Stationärer Einsatz
Weil Wasserstoff in Wasserstoffnetzen noch nicht verfügbar ist, sind derzeit die Erdgas-Brennstoffzellen dabei, die bisherigen Generatoren in der Kraft-Wärme-Kopplung zu verdrängen. Ein solches Blockheizkraftwerk kann für ein größeres Einzugsgebiet oder in kleinerer Ausführung auch zur Versorgung eines Gebäudes dienen.
Ähnlich wie bei Heizkraftwerken mit Gasturbinen wird Erdgas als Energieträger zugeführt, der jedoch nicht direkt verbrannt wird: In einem Reformer wird bei hohen Temperaturen der Wasserstoff von den Kohlenwasserstoffen abgelöst und der Brennstoffzelle zur Energieerzeugung zugeführt. So entsteht zum einen Strom, zum anderen Wärme, die für die Brauch- und Heizwassererwärmung eingesetzt wird. Auf Seite der Stromversorgung liegt der Vorteil der dezentralen Erzeugung in der Vermeidung von Umspann- und Leitungsverlusten im Netz der Energieversorger, in Höhe von bis zu 6 Prozent. Auf der Wärmeseite wiederum entfallen die Transportverluste, die selbst bei vollständiger Nutzung der Abwärme eines Elektrizitätswerkes unvermeidlich sind. Weiterer Vorteil dieser Technik sind deren vergleichsweise geringen spezifischen Emissionen an Luftschadstoffen und Kohlendioxid.
Während für privat genutzte Kraftfahrzeuge geringe Standzeiten ein kleineres Problem darstellen, kann dies z.B. bei Blockheizkraftwerken zu einer Verschlechterung der Wirtschaftlichkeit führen.
Mikrobielle Brennstoffzellen
Über eine so genannte 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 zu gering ist.
Es ist jedoch geplant, in Kläranlagen solche Brennstoffzellen zum Beseitigen des meisten Klärschlammes zu benutzen und nebenbei noch Energie zu gewinnen.
Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg, 2003, ISBN 3528039655
Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3937863044
Alf-Sibrand Rühle, Sven Geitmann: Wasserstoff & Wirtschaft – Investiere in eine saubere Zukunft. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2005, ISBN 3937863028
Sven Geitmann: Wasserstoff- & Brennstoffzellen-Projekte. Hydrogeit Verlag, Berlin 2002, ISBN 3831132801
Krewitt, Pehnt, Fischedick, Temming: Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung - Ökobilanzen, Szenarien, Marktpotenziale. Erich Schmidt Verlag, Berlin 2004, ISBN 3503078703
Fuel Cell Handbook, Sixth Edition. EG&G Technical Services, Inc., Science Applications International Corp., Under Contract No. DE-AM26-99FT40575, U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, W. Virginia, November 2002
Karl-Heinz Tetzlaff; Bio-Wasserstoff - Eine Strategie zur Befreiung aus der selbstverschuldeten Abhängigkeit vom Öl; BoD Verlag (2005); ISBN 3-8334-2616-0
"Brennstoffzelle"
