Brennstoffzelle

Energie

Brennstoffzelle

Ende der 1990er Jahre galt die Brennstoffzelle als Technik der Zukunft. Großkraftwerke und Hochspannungsleitungen sollten überflüssig werden, Autos sollten ohne Abgase fahren und jedes Haus seinen eigenen Strom erzeugen können, ohne Lärm und völlig umweltfreundlich – soweit die Hoffnungen.

Weiterentwicklung der "galvanischen Gasbatterie"

Doch dann wurde es ruhiger um die vermeintlichen Wunderzellen. Der Grund: hohe technische Anforderungen und hohe Kosten. 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 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 – Rüstungsindustrie 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 – so viel wie bei einer kleinen Taschenlampenbatterie. Und genauso, wie man Taschenlampenbatterien hintereinander schalten kann, um größere Spannungen zu erzeugen, geht das auch bei Brennstoffzellen.

Eine Brennstoffzelle neben einer Ein-Euro-Münze

Brennstoffzellen – platzsparend und umweltfreundlich

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 ganz ohne Abgase. Außer Wasser, das zum Beispiel in den Apollokapseln den Astronauten als Trinkwasser diente, entsteht nichts. Hinzu kommt, dass man ihren Treibstoff, also vor allem Wasserstoff oder Methan, auch mithilfe erneuerbarer Energien, wie etwa Wind- oder Wasserkraft, erzeugen kann.

Aus Wasserstoff und Sauerstoff entstehen Wasser, Strom und Wärme

Das Prinzip der Brennstoffzelle im Modell

Ein besonderer Vorteil ist der hohe Stromwirkungsgrad. Das heißt, die Brennstoffzelle produziert vergleichsweise viel Strom und wenig Wärme. Bei Heizkraftwerken, die klassisch mit einem Verbrennungsmotor arbeiten, ist das Verhältnis genau umgekehrt und damit wesentlich ungünstiger. Theoretisch können über 80 Prozent der erzeugten Energie mittels einer Brennstoffzelle elektrisch sein. Realistischer sind etwa 45 Prozent.

Brennstoffzellenantrieb für Autos

Im Prinzip ist ein Brennstoffzellenauto ein Elektroauto, das seinen Strom nicht aus einer Batterie zieht, sondern direkt an Bord erzeugt. Fallen beim Elektroauto lange Ladezeiten an, lässt sich ein Brennstoffzellenauto fast genauso schnell betanken wie ein Benziner – es dauert zwischen drei und fünf Minuten. Und auch das Reichweitenproblem der Elektroautos gibt es nicht. Mit einem gefüllten Wasserstofftank kommt man etwa 500 bis 600 Kilometer weit.

Seit Anfang der 1990er Jahre arbeiten große Automobilkonzerne wie Daimler Benz und Toyota daran, Autos mit Brennstoffzellen anzutreiben – großen Erfolg hatten sie bislang nicht. Problematisch sind bei Brennstoffzellenautos in erster Linie die hohen Herstellungskosten. Das liegt unter anderem an dem verbauten Platin – einem der teuersten Edelmetalle der Welt.

Systematische Darstellung der Brennstoffzellen-Technik im Auto

Die Brennstoffzellen-Technik im Auto

Toyotas neuestes Modell, das voraussichtlich im Sommer 2015 auf den Markt kommen soll, kostet in Japan umgerechnet 50.000 Euro. Etwa 45 Prozent des Gesamtpreises macht allein die Brenstoffzelle aus. Der endgültige Preis für Europa und die USA steht noch nicht fest.

Aber auch die Versorgung mit Wasserstoff ist noch längst nicht flächendeckend. Idealerweise soll man sein Brennstoffzellenauto an einer ganz normalen Tankstelle auftanken können. Derzeit gibt es in Deutschland jedoch nur 14 Tankstellen, die Wasserstoff anbieten. 2015 soll das Netz auf insgesamt 50 Tankstellen ausgeweitet werden und selbst das ist noch zu wenig.

Erste erfolgsversprechende Versuche in Köln

Ein Bus wird von dem Fahrer mit einem großen Schlauch getankt

In Hürth tanken die Busse Wasserstoff

Bei der Regionalverkehr Köln GmbH (RVK) ist man schon einen kleinen Schritt weiter. 2011 wurden die ersten beiden Wasserstoffbusse für die Personenbeförderung eingeführt, 2014 kamen zwei weitere dazu. Das große Ziel: Bis 2030 will die RVK seine gesamte Flotte durch Busse mit regenerativen Antrieben ersetzen. Besonders günstig ist der Standort Hürth, weil man sich hier die umliegende Chemieindustrie zunutze machen kann. Hauptabfallprodukt ist Wasserstoff. So stehen der RVK täglich rund 20 Tonnen zur Verfügung, mit denen sie ihre Busse betanken kann.

Strom und Wärme für das Wohnhaus

Im privaten Bereich nutzen einige Menschen Brennstoffzellen derzeit weniger im eigenen Auto als vielmehr im eigenen Haus zur Strom- und Wärmeerzeugung. Die Brennstoffzellen stehen dann als Kleinkraftwerke im Keller und werden mit Erdgas betrieben. Ganz ausgereift ist die Technik allerdings noch nicht.

Von 2008 bis 2015 lief dehalb der Callux-Praxistest für die Brennstoffzelle im Eigenheim, der vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördert wurde. Hausbesitzer testeten, wie gut sich die Brennstoffzellentechnik für den Alltag im Haushalt eignete. Das Projekt lief mit großem Erfolg. Die Mehrheit der Teilnehmer am Praxistest war durchweg zufrieden. 2016 sollen Geräte verschiedener Hersteller auf den Markt gebracht werden.

Brennstoffzelle – Energieerzeugung der Zukunft?

Ob sich die Brennstoffzelle in Zunkunft durchsetzen kann, bleibt abzuwarten. Bisherige Technologien – gerade in der Automobilindustrie – sind noch sehr teuer und für den Normalverbraucher kaum bezahlbar. Auch das Problem der Herstellung und Lagerung von Wasserstoff ist noch nicht abschließend geklärt. Sollte sich die Brennstoffzelle jedoch als alltagstauglich erweisen, wäre ein großer Schritt weg von fossilen Brennstoffen hin zu regenerativen Energien getan.

Autoren: Martin Rosenberg/Martin Gent/Wiebke Ziegler

Stand: 09.01.2015, 12:00

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