Brennstoffzelle ist nicht gleich Brennstoffzelle

17.11.2004

Warum man Brennstoffzellen nicht mit der Wasserstoffwirtschaft verwechseln sollte (Teil II)

Im Jahre 1839 entwickelte der Brite William Grove die erste primitive Brennstoffzelle. Diese Technik funktioniert einwandfrei, wurde aber von dem Dynamo von Siemens im Jahre 1867 verdrängt. Heute im Zeitalter knapp werdender Ressourcen und drohender Klimakatastrophen feiert die alte Technik fröhliche Urständ - wobei sich die Technik natürlich seit Grove verändert hat. Noch ist unklar, welcher Brennstoffzellentyp die Oberhand gewinnen wird. Vielleicht wird es sogar mehrere Typen für unterschiedliche Anwendungen geben.

Anfang 2004 sorgte eine Veröffentlichung der US National Academy of Sciences für Aufsehen. In der Studie The Hydrogen Economy wurde behauptet, die Wasserstoffwirtschaft würde noch 40 Jahre auf sich warten lassen Eine schlechte Nachricht für die Brennstoffzelle? Nein, nur für eine bestimmte Sorte, über die man jedoch am meisten was hört.

Verschiedene Typen

Die Brennstoffzelle, an die der Laie zuerst denkt, ist die PEMFC ("Proton Exchange Membrane" oder auch "Polymer Electrolyte Membrane" Fuel Cell), denn dieser Typ wird in Autos verwendet.

Vereinfachte Darstellung einer Brennstoffzelle

Das Funktionsprinzip dieser Brennstoffzelle ist leicht erklärt. An der Anode wird Wasserstoff zugeführt; an der Kathode normale Luft (wobei der Sauerstoff benötigt wird, aber dieser muss für eine PEMFC nicht rein sein). Diese Elektroden sind über einen Stromkreis miteinander verbunden. Der Wasserstoff gibt im Kontakt mit dem Katalysator Platin an der Anode seine Elektronen ab, die in Richtung der Kathode im Stromkreis fließen. Die Protonen des Wasserstoffs passieren die Membran zur Kathode. Dort reagiert der Sauerstoff mit den Wasserstoffprotonen und -elektronen; es entsteht reines Wasser.

Diese Anordnung kann in sogenannten Stacks beliebig aneinandergereiht werden, um die Spannung und Leistung zu erhöhen. PEMFCs sind also nahezu endlos skalierbar. Man verwendet PEMFCs deshalb nicht nur in Bussen und Autos, sondern neuerdings auch in Laptops. Die Betriebstemperatur einer PEMFC liegt unter 100 Grad Celsius, so dass die Verwendung in tragbaren Geräten nicht gefährlich sein muss. Dabei schadet es auch nicht, dass diese Brennstoffzellen selbst unter Teillast effizient laufen. Und da sie leichter sind als Batterien mit der gleichen Leistung, sind sie nicht nur für mobile Anwendungen interessant, sondern auch für stationäre Anwendungen wie Telekommunikationsbasisstationen, wo eine robuste Unterkonstruktion für die schweren Batterien entfällt.

Die Anordnung der einzelnen Zellen in einem Stack

Neben dem großen Vorteil der Skalierbarkeit weisen die PEMFCs aber auch einen großen Nachteil auf: Der Wasserstoff muss rein sein. Heute gewinnt man Wasserstoff meist durch die Reformierung von Erdgas. Dabei entsteht Kohlenmonoxid - Gift für den Katalysator einer PEMFC. Die PEMFC setzt also eine Wasserstoffversorgung voraus, die es für die Massenproduktion noch nicht gibt.

Deshalb arbeitet man in den letzten Jahren zunehmend an einer verwandten Brennstoffzelle, die jedoch auf Methanol/Ethanol läuft: die Direct Alcohol Fuel Cell (DAFC). Hier wird Methanol/Ethanol auf der Seite der Anode mit Wasser vermischt. Das ist gerade für Kleinstanwendungen wie Handys interessant, da der niedrigere Wirkungsgrad die DAFCs gegenüber den PEMFCs bei zunehmender Anlagengröße uninteressant macht. Doch für solche Anwendungen ist es (noch) praktischer, wenn man Methanol statt Wasserstoff nachtanken kann.

Die DAFCs haben jedoch einen weiteren Nachteil: Sie emittieren kleine Mengen an CO2. Insofern sind sie nicht "emissionsfrei" wie PEMFCs. Beide gehören zu der Kategorie Niedertemperatur-Brennstoffzelle, die auch noch AFCs (Alkaline Fuel Cells) und PAFCs (Phosphoric Acid Fuel Cells) umfasst. AFCs wurden bereits im All (bei den Apollo-Missionen) verwendet, wo sie den Astronauten nicht nur Strom, sondern auch Wasser lieferten. Sie sind weit entwickelt, doch muss das Prozessgas so rein sein, dass kommerzielle Anwendungen unwahrscheinlich sind. Während PEMFCs mit Luft zurecht kommen, brauchen AFCs reinen Sauerstoff - eine teure Angelegenheit.

PAFCs sind die heißesten Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen von rund 200 Grad Celsius. PAFCs haben einen großen Vorteil gegenüber allen anderen Brennstoffzellen: Man kann sie seit fast 15 Jahren kaufen. Eine solche 200-kW-Anlage liefert Strom und Wärme für eine Polizeistation in New York City, und die größte PAFC-Anlage befindet sich in Japan - ganze 11 MW. Der Nachteil von PAFCs: Die Phosphorsäure erstarrt bei 40°C, weshalb sich eine PAFC nur langsam starten lässt, und der Wirkungsgrad liegt lediglich bei 40%. Forscher erwarten hier keine Verbesserungen.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Andere Brennstoffzellen sind unempfindlicher gegenüber Kohlenmonoxid, da die Elektroden aus Keramik bestehen: sogenannte Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs). Ein grundsätzlicher Unterschied: Bei den Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind die Ladungsträger im Elektrolyt Sauerstoff-Ionen statt Wasserstoff-Elektronen wie bei den PEMFCs. SOFCs können deshalb direkt mit Syngas oder Erdgas betrieben werden, denn das Kohlenmonoxid ist hier nützlich, nicht schädlich. Der für PEMFCs notwendige vorgelagerte Reformer entfällt also auch hier.

Aber auch dieses System hat Nachteile. Im Gegensatz zu einer PEMFC fährt eine SOFC am besten unter Volllast. SOFCs können nicht schnell herauf- und herabgefahren werden, weil sie unter sehr hohen Betriebstemperaturen laufen: bis 1000 Grad Celsius. Das bedeutet auch, dass das Gehäuse sehr hitzebeständig sein muss. Zur Zeit arbeiten Forscher daran, die Betriebstemperaturen zu senken und die Leistung gleichzeitig zu erhöhen. Im Sommer 2004 haben Forscher an der TH Jülich 13,3 kW im Dauerbetrieb mit einem 40cm großen SOFC-Stack bei 760°C erzeugt - genug Strom für ein Mehrfamilienhaus. Man erwartet SOFCs noch große Fortschritte.

Eine weitere Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist die MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell). Die MCFC hat als Elektrolyt eine Salzschmelze, weshalb sie bei mindestens 650 Grad Celsius läuft. Beide Hochtemperatur-Brennstoffzelle-Typen (SOFCs und MCFCs) können als KWK-Anlagen betrieben werden. Dabei erhöht sich der bereits relativ hohe Wirkungsgrad der Hochtemperatur-Brennstoffzellen von rund 55% (elektrisch) auf mindestens 70% (KWK). MCFCs sind die größten aller Brennstoffzellen: Anlagen von mehreren Megawatt laufen schon. Außerdem muss Kohlenmonoxid im Prozessgas vorhanden sein. Mit reinen Wasserstoff laufen MCFCs nicht, weil die Ladungsträger Kohlenstoff-Ionen sind. Nachteil: MCFCs halten nicht lange, weil die Salzschmelze den anderen verwendeten Materialien zu stark zusetzt.

hotModule von MTU. Bild

Hier liegt ein deutscher Hersteller vorne: MTU CFC Solutions hat eine 250-kW-Anlage namens "HotModule" entwickelt, die seit mehr als 26.000 Betriebsstunden problemlos läuft. 25 solcher "HotModules" laufen bereits in Krankenhäusern, Universitäten und Industrie-Anlagen. Die kommerzielle Produktion soll bereits 2006 beginnen.

Die HotModules sind deshalb auch besonders interessant, weil sie mit Abfallgasen, Grubengasen u.ä. betrieben werden können, die sonst nicht zur Strom- und Wärmeerzeugung verwendet werden. So läuft eine HotModule-MCFC im Ahlener Klärwerk - betrieben mit Klärgas.

Nur die PEM ist sauber?

Nun sehen wir, weshalb die Wasserstoffwirtschaft nicht unbedingt sauber sein muss. Auch wenn nur reines Trinkwasser aus dem Auspuff eines PEM-Brennstoffzellenautos kommt, die Emissionen am Kraftwerk sind umso höher. Wollte man in Deutschland alle Otto- und Dieselmotoren mit Brennstoffzellen ersetzen, müsste man die Kohle- und Kernkraft vervielfachen - jedenfalls bis eine andere Möglichkeit besteht, reinen Wasserstoff billig und in großen Mengen zu produzieren.

An diesem anderen Möglichkeiten wird auch fieberhaft gearbeitet. Im Herbst 2004 meldete ein Forscherteam aus Australien, man habe eine Methode entwickelt, um Wasserstoff aus Sonnenstrahlen zu erzeugen. Wenn die Idee Wirklichkeit wird, könnte man mit einer Dachanlage billigen, reinen Wasserstoff aus Wasser machen. Es könnte endlich der Durchbruch zur Wasserstoffwirtschaft sein.

Andere Forscher träumen von einem Weg, den Wasserstoff von Kleinstlebewesen zu ernten. Dieser Biowasserstoff wäre dann genauso "grün" wie der Solarwasserstoff. Für viele ist dies eine Voraussetzung für die Wasserstoffwirtschaft:

If the hydrogen does not come from renewable sources, then it is simply not worth doing, environmentally or economically.

Die Hochtemperatur-Brennstoffzellen scheinen dagegen auf den ersten Blick nicht ganz sauber zu sein, laufen sie doch auf der Basis von fossilen Brennstoffen. Doch diese Brennstoffzellen haben erstens einen viel höheren Wirkungsgrad als beispielsweise konventionelle Kohlekraftwerke und zweitens müssen sie nicht unbedingt dazu führen, dass noch mehr fossile Brennstoffe verbraucht werden, wenn sie aus sonst ungenutzten Quellen gespeist werden. Meistens entweicht Grubengas aus Kohlegruben, ohne dass es sinnvoll zur Stromerzeugung eingesetzt wird. Überall bieten gerade Hochtemperatur-Brennstoffzellen solche Potenziale: Das US Environmental Protection Agency schätzt beispielweise , dass weniger als 10% des Deponiegases des Landes zur Stromerzeugung genutzt wird. MCFCs könnten Abhilfe schaffen.

Die Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind aber auch in der Lage, konventionelle Kraftwerke zu ersetzen, wenn die Kohle zu Stadtgas gemacht wird. Dann würden Brennstoffzellen die Kohlekraft erheblich sauberer machen (Kohle als Brücke zur erneuerbaren Zukunft).

Wichtig dabei ist, dass man den ganzen Kreislauf im Auge behält, nicht nur das, was aus dem Auspuff herauskommt. Wenn Brennstoffzellen dazu führen, dass insgesamt mehr Strom und Wärme aus weniger fossilen Ressourcen gewonnen werden können, dann tragen sie dazu bei, dass unser Energiesystem nachhaltiger wird. An diesem Beitrag sollten sie gemessen werden.

Craig Morris übersetzt bei Petite Planète.

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Keine Spur von einer Wasserstoffwirtschaft?

Craig Morris 04.11.2004

Warum man Brennstoffzellen nicht mit der Wasserstoffwirtschaft verwechseln sollte (Teil I)

Wenn man an Brennstoffzellen denkt, fällt einem womöglich ein schickes Auto ein, das sich nur durch die Aufschrift NECAR von anderen Autos unterscheidet. Dieses NECAR gibt es seit Jahren. Eine Serienproduktion lässt jedoch auf sich warten - der Hersteller will 2005 ganze 60 Stück bauen. Dabei ist die Brennstoffzelle eine recht alte Technik aus der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. 1874 sprach der französische Science-Fiction-Autor Jules Verne vom Wasserstoff als der "Kohle der Zukunft". Heute sagen Skeptiker wie Walter McManus von J.D. Power and Associates: "Wasserstoff ist - und bleibt - die Energie der Zukunft." Der ehemalige Shell-Manager Peter Schwarz glaubt: "Bis 2050 läuft die Welt auf Wasserstoff, jedenfalls soweit, dass man von einem Wasserstoffzeitalter sprechen kann."

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