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Die Energie kommt aus der Brennstoffzelle

Kliniken und Laptops beziehen bereits Strom aus Fuelcells
Die Energie kommt aus der Brennstoffzelle

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Die Brennstoffzelle ist weit mehr als eine Antriebsmöglichkeit für Autos. Sie kann die gesamte Energieversorgung revolutionieren, von der kleinsten Batterie bis hin zum Kleinkraftwerk.

Dr. Barbara Wantzen ist freie Fachjournalistin in Ulm

Wasserstoff ist der dritthäufigste Stoff auf der Erde. Er kommt nicht nur im Wasser, sondern in allen organischen Substanzen vor. Er hat die höchste massenbezogene Energiedichte aller Kraftstoffe: In 1 kg Wasserstoff steckt dreimal mehr Energie als in derselben Menge Erdöl. Außerdem entstehen bei seiner Verbrennung lediglich Wasser und Wärme. Die heutigen Brennstoffzellen gewinnen ihren Wasserstoff fast nur aus fossilen Stoffen. Dies kann aber nur eine Zwischenlösung sein. Ziel ist es, Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mit Hilfe regenerierbarer Energie wie Wind-, Wasserkraft- oder Solarenregie zu produzieren.
Über Brennstoffzellen lässt sich Strom mit deutlich höherer Effektivität gewinnen als mit konventionellen Technologien wie etwa in Blockheizkraftwerken mit Verbrennungsmotor. Der elektrische Wirkungsgrad von kleinen Brennstoffzellen-Anlagen erreicht Werte über 50 %. Konventionell schaffen dies nur sehr große, moderne Gasturbinenkraftwerke.
Bei Kleinkraftwerken ist die Entwicklung schon weiter fortgeschritten. So liefert ein so genanntes Hotmodule auf der Basis einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle seit 2001 einen Teil des Stroms für die Rhönklinik in Bad Neustadt: Das von der MTU CFC Solutions GmbH in Ottobrunn entwickelte Kleinkraftwerk ist die weltweit erste Brennstoffzellenanlage mit einer elektrischen Leistung von 250 kW. Sie arbeitet schon seit mehr als 21 000 h mit hoher Prozesssicherheit, ist wartungsarm und hat keine Spannungsspitzen.
Inzwischen haben weitere Systeme ihre Arbeit aufgenommen, unter anderem bei der Dete-Immobilien GmbH in München und beim Michelin-Werk in Karlsruhe. Ende 2006 soll die Serienproduktion der Hotmodules anlaufen. Daneben will man bei MTU nach und nach Anlagen von bis zu 3000 kW auf den Markt bringen, bei Bedarf sollen aber auch Einheiten mit Leistungen unter 250 kW angeboten werden.
Die elektrischen Wirkungsgrade liegen bei knapp 50 %. Diesen Wert erreicht in der 250 kW-Klasse keine konventionelle Technologie. Moderne Gasmotoren etwa arbeiten mit einem mechanischen Wirkungsgrad von 41 %. Berücksichtigt man zusätzlich die Umwandlung in elektrische Energie, landen sie bei 20 bis 25 %.
Das Hotmodule besteht aus dem zentralen Stahlkessel mit dem Brennstoffzellenstapel, einer vorgeschalteten Gasreinigungsanlage und einem Wechselrichter, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Den Zellstapel bilden etwa 350 einzelne Zellen, die hintereinander montiert sind und durch einen Zuganker zusammengehalten werden. Die einzelnen Zellen sind wie flache Sandwiches aufgebaut. Zwei Elektroden umschließen eine mit dem Elektrolyt Lithium-Kalium-Karbonat gefüllte Trägerfolie. Im Inneren der Brennstoffzelle herrscht eine Temperatur von 650 °C. Wegen dieser hohen Temperatur lassen sich die normalerweise notwendigen Edelmetall-Katalysatoren durch Nickel ersetzen. Werden Wasser und Erdgas innerhalb der Zelle zusammengebracht, spaltet sich Wasserstoff ab, der als Brennstoff für die Brennstoffzelle dient. Daher spricht man auch von der Direct Fuelcell Technologie. Denn im Gegensatz zu den Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen muss der Wasserstoff nicht erst mit Hilfe von Reformieranlagen außerhalb der Brennstoffzelle gewonnen werden.
Als Brennstoff für die Anlage eignen sich neben Erdgas auch Bio-, Klär- und Grubengas. Viele dieser Gase, die in Industrie und Landwirtschaft entstehen, gehen heute noch verloren. Ein anderer willkommener Nebeneffekt der Anlage ist die heiße Abluft von 400 °C, mit der sich Hochdruckwasserdampf erzeugen lässt, der für die unterschiedlichsten industriellen Zwecke genutzt werden kann.
Bald könnte sogar jeder Haushalt seine eigene dezentrale Energieversorgung haben. Die Viessmann Werke GmbH & Co KG in Allendorf (Eder) beispielsweise entwickeln im Rahmen eines Forschungsprojektes mit Partnern eine Hausenergieanlage auf der Basis von Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit Polymer-Elektrolyt-Membranen. Die Betriebstemperatur liegt bei 90 °C. Diese Brennstoffzelle hat eine hohe Leistungsdichte und eignet sich für kompakte mobile und stationäre Anlagen. Betrieben werden diese Anlagen mit Wasserstoff und Luft, wobei der Wasserstoff in einem Reformer aus Erdgas gewonnen wird. Im Betrieb sollen sie eine Energieleistung von 2 kW und eine Wärmeleistung von 3 kW erbringen. Über das Abgas können nochmals 2 kW Wärme entzogen werden.
2005 läuft eine erste Feldstudie seriennaher Geräte an, ein bis zwei Jahre später sollen dann die ersten Anlagen in kleiner Stückzahl vom Band gehen. Mit der wirtschaftlichen Marktreife rechnet man bei Viessmann etwa im Jahr 2010: Die Investitionskosten sollen unter 1500 Euro/kWel liegen. Gegenüber der konventionellen Strom- und Wärmeerzeugung könnte damit die Kohlendioxidemission um 30 bis 35 % reduziert werden.
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen im Miniformat können in Zukunft auch Batterien ersetzen. Kleine Einheiten bis hinunter zu einer Größe von einigen Millimetern könnten Laptops, Camcorder oder mobile Telefone mit Strom versorgen. Den Brennstoff liefern kleine Methanol-Kartuschen oder wiederaufladbare Hydridspeicher.
„Brennstoffzellen bieten hier viele Vorteile“, erklärt Dr. Christopher Hebling, Abteilungsleiter der Abteilung Energietechnik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. „Sie haben nicht nur eine hohe Energiedichte. Zusätzlich entfällt ein langwieriges Aufladen. Ist der Brennstoff verbraucht, wird einfach und sekundenschnell nachgefüllt.“ Ein solches, in einen Laptop vollständig integriertes System hat das ISE gemeinsam mit dem koreanischen Konzern LG entwickelt. Der Laptop wird mit einer Mini-Brennstoffzelle mit Metallhydridspeicher betrieben. Sie besteht aus nur 27 gestapelten Einzelzellen und hat eine Spitzenleistung von 50 W.
Portable Brennstoffzellen werden bereits in Nischenanwendungen auf dem Markt eingeführt. Für das Jahr 2006 haben Elektronikkonzerne den Einsatz in Massenprodukten wie Laptops angekündigt.
Im Mittelpunkt des öffentlichen Interesses steht zurzeit aber vor allem die Brennstoffzelle als Antrieb für Fahrzeuge. Auch hier findet die Niedertemperatur-Zelle ihren Einsatz. Während in Deutschland seit Jahren immer neue Prototypen entwickelt werden, insbesondere mit einem Hybridantrieb, einer Kombination aus Brennstoffzelle und Otto- oder Dieselmotor, hat Toyota in diesem Jahr ein solches Auto auf den Markt gebracht.
Doch um dem Brennstoffzellenantrieb zum Durchbruch zu verhelfen, muss erst einmal ein Netz von Wasserstoff-Tankstellen aufgebaut werden. Weltweit gibt es davon erst 21. Eine dient am Münchner Flughafen dazu, mit einer Brennzelle ausgerüstete Busse von MAN zu betanken. Die Busse können 1640 l Wasserstoff tanken und haben damit eine Reichweite von über 300 km. Doch Prof. Bernd Höfer, stellvertretender Vorsitzender des Vorstandes des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), glaubt nicht an einen baldigen Einsatz in der breiten Serienproduktion: Seiner Meinung nach werden sich Brennstoffzellen zunächst nur bei Nischenprodukten durchsetzen, wie zum Beispiel bei Grubenfahrzeugen oder als Bord-Stromversorgungen, so genannten Auxiliary Power Units. Höfer: „Für den Antrieb haben Brennstoffzellen erst dann sehr gute Markteinführungschancen, wenn die geeigneten Kraftstoffe aus nicht-fossilen Primärenergien für den Verkehr zur Verfügung stehen.“
Brennstoffzellen sind Rekordhalter beim Wirkungsgrad

Wie arbeitet die Brennstoffzelle?

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Die Brennstoffzelle funktioniert wie ein galvanisches Element oder eine Batterie. Sie wandelt chemische Energie direkt in elektrischen Strom und Wärme um. Doch im Gegensatz zur Batterie arbeitet sie kontinuierlich, solange Brennstoff und Oxidationsmittel von außen zugeführt werden. Die klassische Brennstoffzelle, wie sie schon Ende der sechziger Jahre in den Gemini- und Apollo-Raumschiffen verwendet wurde, wird mit Wasserstoff und Sauerstoff gespeist: An der Anode strömt Wasserstoff zu. Mit Hilfe eines Katalysators werden die Wasserstoffatome in Ionen und Elektronen gespalten. Die Wasserstoffionen (Protonen) wandern durch den Elektrolyten zur Kathode und reagieren dort mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser.
Diese Reaktion findet in fast allen Brennstoffzellen statt. Sie unterscheiden sich durch den Eletrolyten, der die Gase voneinander trennt. Bei Brennstoffzellen mit niedrigen Arbeitstemperaturen von 80 bis 100 °C werden heute auch Polymere verwendet. Zellen mit hohen Arbeitstemperaturen von 600 bis 850 °C benutzen Karbonatschmelzen. Bei noch höheren Arbeitstemperaturen von 800 bis 1000 °C arbeiten die Zellen auf Keramikbasis. (Bild: ISE)
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