Energie

Brennstoffzelle

Ende der 1990er-Jahre galt die Brennstoffzelle als Technik der Zukunft. Doch dann wurde es ruhiger um die Brennstoffzelle, denn ihre technischen Anforderungen und Kosten sind hoch.

Von Martin Rosenberg, Martin Gent und Wiebke Ziegler

Weiterentwicklung der "galvanischen Gasbatterie"

Die Idee der Brennstoffzellen ist alt. Schon 1839 beschrieb der britische Physiker William Grove eine "galvanische Gasbatterie". Durch "kalte Verbrennung", also durch Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff, sollte sie elektrischen Strom liefern. Doch Groves 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 1960ern kamen sie 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 voneinander getrennt, den so genannten Elektrolyten. 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 im Stromkreis beträgt dabei etwa 1,2 Volt – so viel wie bei einer kleinen Taschenlampenbatterie. Und so 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, keine Abgase.

Außer Wasser, das zum Beispiel in den Apollokapseln den Astronauten als Trinkwasser diente, entsteht nichts. Zudem lässt sich der Treibstoff, also vor allem Wasserstoff oder Methan, auch mithilfe erneuerbarer Energien wie etwa Wind- oder Wasserkraft erzeugen.

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.

Problematisch sind bei Brennstoffzellenautos in erster Linie die hohen Herstellungskosten. Das liegt unter anderem an dem verbauten Platin – einem der teuersten Edelmetalle der Welt.

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 etwa 20 Tankstellen, die Wasserstoff anbieten.

Erste erfolgsversprechende Versuche in Köln

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 kamen so viele Geräte verschiedener Hersteller auf den Markt wie noch nie.

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.

(Erstveröffentlichung 2002. Letzte Aktualisierung 12.10.2018)