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Weiterentwicklung der "galvanischen Gasbatterie"

Die Idee ist alt. Schon 1839 beschrieb der britische Physiker William Grove eine "galvanische Gasbatterie". Durch "kalte Verbrennung", das heißt durch Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff sollte sie - mit einen Wirkungsgrad von nahezu 100 Prozent - elektrischen Strom liefern. Doch seine Idee verschwand wegen mangelnder Effektivität in der Versenkung und wurde erst über 100 Jahre später ernsthaft in die Tat umgesetzt. In den 1950er Jahren wurden Brennstoffzellen zunächst in U-Booten eingesetzt. Mit den Raumfahrtprogrammen in den 1960er Jahren kamen Brennstoffzellen auch im All zum Einsatz. In beiden Bereichen - Rüstung und Raumfahrt - spielte Geld keine Rolle. Die ersten Modelle der Brennstoffzelle waren extrem teuer.

Erst gegen Ende der 1980er Jahre suchten Ingenieure verstärkt nach neuen Energiequellen, um von Öl und Kohle unabhängig zu werden. Und sie suchten nach "saubereren" Energien. Diese Anforderungen sollen Brennstoffzellen erfüllen, denn sie arbeiten mit Wasserstoff - einem umweltfreundlichen Energieträger.

Wärme und Strom aus Wasserstoff

Die Brennstoffzelle ist eine Wandlertechnik. Sie wandelt chemische Reaktionsenergie in elektrischen Strom und Wärme. Das Prinzip ist relativ simpel: Zwei Elektroden sind durch eine Trennschicht, den sogenannten Elektrolyten, voneinander getrennt. Auf der einen Seite strömt Wasserstoff ein, auf der anderen Sauerstoff. Der Wasserstoff wird in seine Bestandteile aufgeteilt: zwei Elektronen und zwei Protonen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyten auf die Sauerstoffseite. Die Elektronen müssen den Umweg über einen Stromkreis nehmen, um zur Sauerstoffseite zu gelangen, wo ein Elektronenmangel herrscht. Aus Protonen, Elektronen und Sauerstoff entsteht dann Wasser.

Die Spannung, die dabei im Stromkreis entsteht, beträgt etwa 1,2 Volt - soviel wie eine kleine Taschenlampenbatterie. Und genauso, wie man Taschenlampenbatterien hintereinander schalten kann, um größere Spannungen zu erzeugen, geht das auch bei Brennstoffzellen. Weil solche Zellen nur aus drei dünnen Schichten bestehen, ist es sogar recht einfach: Man braucht sie nur aufeinander zu stapeln. So einen Brennstoffzellen-Stapel nennt man "Stack".

Vorteile der Brennstoffzelle

Ein Vorteil der Brennstoffzelle liegt zweifellos darin, dass sie elektrischen Strom ohne mechanische Teile erzeugt: kein Lärm, keine Verschleißteile, und dazu noch ohne Abgase. Außer Wasser, das zum Beispiel in den Apollokapseln den Astronauten als Trinkwasser diente, entsteht nichts. Hinzu kommt, dass man ihren Treibstoff (vor allem Wasserstoff oder Methan) auch mit Hilfe erneuerbarer Energien erzeugen kann.

Ein besonderer Vorteil ist der hohe Stromwirkungsgrad. Die Forscher hoffen, mehr als 60 Prozent der Energie des Treibstoffs in Form von kostbarem Strom ernten zu können. Nur etwa 40 Prozent wären weniger wertvolle Wärme, die sich in Brennstoffzellen-Heizkraftwerken jedoch auch nutzen ließe. Bei Heizkraftwerken, die klassisch mit einem Verbrennungsmotor arbeiten, ist das Verhältnis bestenfalls umgekehrt, das heißt sie produzieren wenig Strom und viel Wärme.

Brennstoffzellenantrieb für Autos

Seit Anfang der 1990er Jahre arbeiten die großen Automobilkonzerne wie Daimler Benz, Opel, Ford und Toyota daran, mit Brennstoffzellen Autos anzutreiben. Im Prinzip ist ein Brennstoffzellenauto ein Elektroauto, das seinen Strom nicht aus einer Batterie zieht, sondern an Bord erzeugt. Doch abgasfrei ist die Brennstoffzellentechnik nicht. Denn um den Wasserstoff herzustellen, müssen derzeit noch konventionelle Energieträger wie Erdgas eingesetzt werden. Dabei entsteht aus Methan und Sauerstoff außer Wasser auch das klimaschädigende Treibhausgas Kohlendioxid. Dennoch: Im Vergleich zur heute eingesetzten Technik könnten Brennstoffzellen Energie einsparen. Schadstoffe wie Ruß oder Stickoxide fallen erst gar nicht an.

Weiter Weg zur Serienreife

Die ersten Brennstoffzellen waren noch so groß, dass sie nur in Transporter passten. Heute reicht ein Kleinwagen. Auch bei den Wasserstofftanks scheint man weiterzukommen. Denn um den Wasserstoff flüssig zu halten, muss er auf eine Temperatur von unter minus 253 Grad gekühlt werden. Neuartige Isolierungen sorgen dafür, dass die erforderlichen Temperaturen ereicht werden. Doch die aufwändigen technischen Lösungen treiben die Kosten nach oben, denn die Materialien für Tanks und Brennstoffzellen sind noch sehr teuer.

Ein anderes ungelöstes Problem ist die Treibstoffversorgung. Um viele Autos auf einen Brennstoffzellen-Antrieb umzustellen, müssten immense Mengen von Wasserstoff hergestellt werden. Dabei sind sich Automobilhersteller und Mineralölindustrie noch nicht einmal einig, wie die Autos denn mit dem Treibstoff versorgt werden sollen: ob sie tatsächlich reinen Wasserstoff tanken sollen oder flüssiges Methanol und dieses erst an Bord mit Hilfe sogenannter Reformer in Wasserstoff umgewandelt werden soll. Diese Lösung hätte den 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. Außerdem bekommt die Brennstoffzelle Konkurrenz durch eine bessere Batterietechnik. Deshalb sehen viele Experten größere Chancen für das batteriegespeiste Elektroauto als für Brennstoffzellenfahrzeuge.

Strom und Wärme für das Wohnhaus

Die ersten Brennstoffzellen werden deshalb wohl nicht in Autos eingesetzt werden, sondern als Kleinkraftwerke in den Kellern von Wohnhäusern stehen. In sogenannten Feldtests wurden die ersten Prototypen in Wohnhäusern erprobt. Sie produzieren dort Strom und Wärme auf Erdgasbasis. Für die kalten Tage wurde ein konventioneller Zusatzbrenner in das Gerät integriert. Die Tests brachten eine gewisse Ernüchterung mit sich: So schnell wie erhofft werden Brennstoffzellen-Heizkraftwerke nicht in den Kellern stehen. Aber die Branche hält das Thema am Köcheln.

Kraftwerke mit Brennstoffzellen

Einige Hersteller entwickeln auch schon größere Geräte. Sie arbeiten an Brennstoffzellen, die ganze Wohnsiedlungen oder Gewerbebetriebe versorgen können. Von diesen Geräten, die vor allem den bisherigen Blockheizkraftwerken Konkurrenz machen, sind weltweit bereits einige hundert im Probebetrieb. Der Vorteil der Brennstoffzelle ist dabei die hohe Stromausbeute: Auch bei geringerem Wärmebedarf kann mehr Strom erzeugt werden als in herkömmlichen Anlagen. Während klassische Blockheizkraftwerke außerdem nur im gleichmäßigen Betrieb optimal arbeiten, können Brennstoffzellen innerhalb von Sekundenbruchteilen genau so viel Energie liefern, wie gerade gebraucht wird.

Ersatz für Atomkraft?

Ein Ersatz für die Kernkraft ist also prinzipiell in Sicht. Atom- und Kohlekraftwerke könnten komplett abgeschaltet werden, wenn sich die Brennstoffzelle durchsetzt. Der Strom würde dann nicht zentral in wenigen Großkraftwerken produziert werden, sondern dezentral in Fabriken, Stadtvierteln, einzelnen Wohnhäusern. Viele Energieversorger denken schon über Strategien mit der Brennstoffzelle nach. Doch bis es zu einer solchen Energierevolution kommt, muss noch einiges an Forschung geleistet werden, damit der Strom aus der "galvanischen Gasbatterie" auch wirtschaftlich wird. Für die Umwelt ist die Brennstoffzelle auch erst dann ein richtiger Gewinn, wenn es gelingt, den benötigten Wasserstoff nicht mehr aus Erdöl oder Erdgas zu gewinnen, sondern aus Solar-, Wind- oder Wasserkraft. Erst dann wäre eine völlig emissionsfreie und jederzeit verfügbare regenerative Energieversorgung erreicht.