Brennstoffzelle

Es heißt, Brennstoffzellen sind die Energiequellen der Zukunft. Angeblich ist der Wasserstoffantrieb für Autos CO2-Neutral. Doch das stimmt so nicht. Denn der Gewinnungsprozess von Wasserstoff als Brennstoff ist aufwendig und alles andere als umweltschonend. Außerdem widersprechen die Brennstoffzellen-Konzepte der Nutzungsweise Batterie- und Akku-betriebener Geräte.

Was sich anfangs toll anhört, ist es leider nicht. Doch alles der Reihe nach.

Brennstoff für die Brennstoffzelle

  • Wasserstoff
  • Methanol
  • Ethanol

Wasserstoff ist der bekannteste Brennstoff für Brennstoffzellen, der auch am häufigsten verwendet wird. Danach folgt gleich Methanol und Ethanol, die sich am ehesten mit Alkohol vergleichen lassen. Allen Brennstoffen ist gemein, dass sie künstlich hergestellt bzw. gewonnen werden müssen. Weil die Herstellungsprozesse nicht auf Massenherstellung optimiert sind, mangelt es noch an günstigen Brennstoffen und einer Lieferkette, die eine Verfügbarkeit wie bei Öl ermöglicht.

Funktionsweise der Brennstoffzelle mit Wasserstoff

Funktionsweise der Brennstoffzelle mit Wasserstoff
Die Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und dem dazwischenliegenden Elektrolyt. Wie Batterien wandeln Brennstoffzellen chemische Energie in elektrische Energie um. Damit ein Stromfluss entsteht, muss Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) von außen zugeführt werden. Der Wasserstoff (H2) wird an der Anode in seine Bestandteile aufgeteilt (H+). Jedes Wasserstoff-Atom gibt ein Elektron ab, das über einen elektrischen Leiter zur Kathode wandert. Das ist der elektrische Strom, den die Brennstoffzelle abgibt. Zurück bleiben positiv geladene Wasserstoffionen (H+). Die Wasserstoffionen wandern von der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode. An der Kathode wird Sauerstoff hinzugefügt. Die Sauerstoffmoleküle (O2) teilen sich dort in ihre Bestandteile auf (O-). Jedes Sauerstoffion nimmt zwei Elektronen auf. Dabei entstehen negativ geladene Sauerstoffionen. Sie werden zusammen mit den Wasserstoffionen zu Wasser (H2O).

Wo soll der Wasserstoff herkommen?

Wasserstoff ist unter allen chemischen Elementen mit großem Abstand am häufigsten zu finden. Allerdings ist Wasserstoff in der Regel an andere Elemente gebunden. In reiner Form tritt es kaum auf. Das bedeutet, man muss Wasserstoff erst einmal gewinnen. Dafür ist eine große Menge Energie notwendig. Die Gewinnung von Wasserstoff ist alles andere als effizient.

Zur Gewinnung bzw. Herstellung von Wasserstoff stehen zwei Verfahren zur Auswahl:

  • Elektrolyse (Power-to-Gas)
  • Wasserdampf-Reformationsverfahren (Steam Reforming)

Bei beiden Verfahren ist erheblicher Energieaufwand notwendig, um Wasserstoff gewinnen zu können. Deshalb ist Vorsicht geboten, wenn man von Wasserstoff als umweltfreundlichen Energieträger spricht. In Zukunft mag es Herstellungsprozesse geben, die umweltfreundlich sind. Doch heute ist das noch nicht der Fall. Zumindest nicht zu einem akzeptablen und bezahlbaren Preis.

Gewinnung/Herstellung von Wasserstoff: Elektrolyse (Power-to-Gas)

Wenn Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft, Journalisten, Politiker und Normalbürger über Wasserstoff als umweltfreundliche Energiequelle sprechen, dann ist bei der Gewinnung von Wasserstoff die Elektrolyse gemeint. Sie muss auch in der Schule im Physikunterricht als Experiment herhalten. Dabei wird das Wasser quasi unter Strom gesetzt, um die Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu knacken.

Die Effektivität dieses Prozesses lässt leider zu wünschen übrig, auch wenn die Effektivität in der Vergangenheit immer wieder gesteigert werden konnt. Interessant ist dieses Power-to-Gas-Konzept nur dann, wenn man in irgendeiner Weise günstige oder überschüssige Energie verfügbar hat. Zum Beispiel aus Wind- und Solaranlangen, deren Energieerzeugung nicht regulär verbraucht werden kann. Dann könnte man damit Wasserstoff gewinnen und als kohlendioxidneutralen Energiespeicher verwenden.

Gewinnung/Herstellung von Wasserstoff: Wasserdampf-Reformationsverfahren (Steam Reforming)

Wasserstoff wird aus Kostengründen zu 95% mit dem Wasserdampf-Reformationsverfahren (Steam Reforming) gewonnen. Dabei wird Erdgas verwendet. Bei der Umwandlung entsteht CO2. Sogar mehr, als man bei der Verbrennung von Erdgas im Motor erzeugt.
Zur Erreichung einer bestimmten Prozesstemperatur wird ein Teil des Erdgases einfach verbrannt. Wasserstoff, der in dieser Form gewonnen wird, ist keine Alternative zu fossilen Brennstoffen. Mit dieser Form der Gewinnung wird Wasserstoff selber zu einem fossilen Brennstoff, wenn auch nur durch eine Umwandlung aus einem fossilen Brennstoff. Doch bei jeder Energieumwandlung geht auch ein wenig Energie verloren. Aus Sicht der Umweltverträglichkeit und der CO2-Reduzierung wäre mit dieser Form der Herstellung nichts gewonnen.

Nachteile von Wasserstoff

Wasserstoff hat aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften verschiedene Nachteile. So sind wegen der geringen Molekülgröße die Verluste durch Lagerung und Transport nicht zu unterschätzen. Die Verluste sind viel größer als beim Transport von Erdgas.
Desweiteren greift Wasserstoff alle Oberflächen an mit denen er in Kontakt kommt. Dazu kommt die Brennbarkeit und damit die ständige Explosionsgefahr.

Anwendung: Brennstoffzelle im Auto

Es gibt zwar immer wieder Prototypen von Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Doch die Technologie ist noch lange nicht ausgereift. Die meisten Probleme haben die Hersteller noch immer damit, dass Brennstoffzellen nur in einem begrenzten Temperaturbereich arbeiten. Bisher eignete sich keines der vielen verschiedenen Konzepte für Autos.
Das fängt bei ganz einfachen Sachen, wie der Speicherung von Wasserstoff an. Wasserstoff neigt dazu sich zu verflüchtigen. Auch durch Stahl hindurch. Ein Auto wochenlang parken ist also nicht drin. Deshalb müsste man Wasserstoff tiefkühlen. Das hätte wiederum einen großen Energieaufwand zur Folge.
Sinnvoll speichern lässt sich die Energie aus Brennstoffzellen nur mit Hybridtanks, die zum großen Teil elektrische Energie speichern. Doch dadurch wird das Leergewicht des Autos erhöht, was wiederum den Brennstoffverbrauch des Autos erhöht.

Erschwerend komm hinzu, dass die Energiebilanz einer Brennstoffzelle im Auto miserabel ist. Der Wirkungsgrad konventioneller Elektrolyseure liegt zwischen 60 und 70 Prozent. Zusätzlich muss man die Energie berücksichtigen, die durch Speichern und Transport verloren geht. So sinkt der Wirkungsgrad um weitere 20 Prozentpunkte, wenn man den Wasserstoff an die Tankstellen transportieren muss. Auch die Brennstoffzelle selbst, die aus dem Wasserstoff den Strom erzeugt, verbraucht Energie. Ihr Wirkungsgrad beträgt rund 60 Prozent.
Überschlägt man die gesamte Prozesskette, kommen nur 25 bis 30 Prozent der Solar- oder Windenergie am Ende beim Elektromotor an. Im Vergleich dazu erreichen batteriebetriebene Elektroautos 90 Prozent.

Allerdings ist die Energiebilanz bei einem Energieträger gar nicht die entscheidende Größe. Die kann sogar ziemlich schlecht sein. Versorgungssicherheit und Flexibilität sind das, was zählt. Die hohen Kosten der Brennstoffzellen und die fehlende Infrastruktur für die Produktion und Verteilung des Brennstoffs (Wasserstoff) sind das entscheidende Hindernis. Im Vergleich dazu lässt sich ein Elektroauto an fast jeder Steckdose laden.

Anwendung: Brennstoffzelle in kleinen Geräten

Wer beim Szenario "Brennstoffzelle in kleinen Geräten" an einen Akku- oder Batterie-Ersatz denkt, liegt vollkommen falsch. Auf einen Akku zur Energiespeicherung wird auch ein Kleinst-Gerät mit Brennstoffzelle in Zukunft nicht verzichten können.
Alle marktreifen Konzepte mit einer Brennstoffzelle zur Energiegewinnung sehen vor, dass über eine Kartusche nachgefüllt wird. Die Brennstoffzelle lädt einen Lithium-Ionen-Akku auf. Nach dem Ladevorgang kann man die Kartusche abnehmen und später für weitere Füllungen verwenden, bis sie leer ist.
An dieser Stelle wird klar, dass die Brennstoffzelle nur dann Sinn macht, wenn man sie als Ersatz für das Ladenetzteil verwendet. Zum Beispiel dann, wenn man unterwegs ist und keine Steckdose zur Verfügung steht. Da in der Regel immer eine Steckdose zum Aufladen zur Verfügung steht, bleibt der Ladevorgang über die Brennstoffzelle eher eine Nischenanwendung.

Unterschied zwischen Akku und Brennstoffzelle

Während der Akku seine Energie im Gehäuse enthält, muss bei der Brennstoffzelle die Energie von außen zugeführt werden. Die Brennstoffzelle wird also nicht aufgeladen, sondern betankt. Es ist vorgesehen, dass es für die Brennstoffzellen Kartuschen gibt, in denen der Brennstoff enthalten ist. Die Kartuschen müssen nur ausgetauscht werden und sollen wie Druckerpatronen irgendwann im Handel erhältlich sein. Das einzige Problem ist die Miniaturisierung. Brennstoffzellen sind aktuell so groß wie Aktenkoffer. Momentan wird noch daran geforscht, wie eine Brennstoffzelle auf die Größe einer Streichholzschachtel verkleinert werden kann.
Angesichts der Funktionsweise von Brennstoffzellen stellt sich die Frage, ob die Nutzer bereit sind, bei der Energieauffüllung von "Laden" auf "Tanken" umzustellen. Es ist wesentlich einfacher ein mobiles Gerät mit elektrischem Strom aufzuladen, als sich ständig Brennstoffzellentanks zu besorgen. Denkbare wäre, dass sich verschiedene Größen als Industrienormen etablieren werden und das es an Automaten Brennstoffzellen-Kartuschen zu kaufen gibt. Doch an dieser Stelle kommt dem Nutzer die Assoziation mit Batterien, auf die er eigentlich verzichten will, um Kosten zu sparen und seine mobilen Geräte flexibler zu benutzen.

Problem/Lösung: Miniaturisierung

Um Brennstoffzellen auf die Größe einer Batterie zu bringen, muss die Flüssigkeitspumpe und die Elektronik miniaturisiert werden. Diese Komponenten benötigen zumeist mehr Energie für ihren Betrieb, als die Brennstoffzelle liefern kann. Deshalb geht die Entwicklung dahin, dass kleine Brennstoffzellen ohne Pumpe auskommen.
Eine dünne Membran sorgt dafür, dass das Wasser aus dem Wassertank in Form von Dampf zum Metallhydrid gelangt. Der Dampf reagiert zusammen mit dem Metallhydrid zu Wasserstoff. Dabei entsteht ein Druck, der die Membran verschließt. Lässt der Druck nach, gelangt wieder Dampf zum Metallhydrid. An den darunterliegenden Elektroden wird Strom produziert.

Fazit

Die Brennstoffzelle mag zwar in Zukunft eine alternative Energiequelle sein, Stand heute ist sie es nicht. Zwar wird viel auf diesem Gebiet geforscht. Doch alltags-taugliche Produkte sind dabei noch nicht herausgekommen.
Die Frage ist auch, wie das Nutzungsszenario für die Zukunft aussehen soll. Wird es für mobile Geräte austauschbare Wasserstoffbehälter geben? Oder fühlen sich die Konsumenten wieder an die nicht aufladbaren Batterien erinnert, die immer dann leer sind, wenn man keine Batterien zum Wechseln hat?
Nicht zu vergessen, dass der Herstellungsprozess für Wasserstoff zu teuer, zu aufwendig oder alles andere als umweltfreundlich ist.
Allerdings hat Wasserstoff schon das Potential nahezu umweltfreundlich zu sein. Das ist auch der Grund, warum Wasserstoff-Brennstoffzellen so stark gefördert werden. Ob sich die Investitionen lohnen, wird sich zeigen.

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