Die Nutzung des Wasserstoffs mittels Brennstoffzellen

Wasserstoff lässt sich wie Erdgas nutzen. Wirkliche Vorteile lassen sich aber nur mit Brennstoffzellen erzielen. Brennstoffzellen sind:

  • billig (30 €/kW),
  • haben einen sehr hohen Wirkungsgrad (60% el),
  • hochdynamisch ( von 0 auf 100% Leistung in 1 Mikrosekunde),
  • können das Stromnetz nahezu verlustlos und kostenlos stabilisieren,
  • langlebig und wartungsarm,
  • erlauben die Nutzung von Brennwerttechnik,
  • lassen sich in bestehende Heizungen integrieren.
  • eignen sich für Fahrzeugantriebe

Die hohe Dynamik ermöglicht eine vollständige Trennung vom Stromnetz, was mit Motor-KWK und Reformer-Brennstoffzellen nicht möglich ist. Brennstoffzellen werden in einer Wasserstoffwirtschaft als KWK-Anlagen wärmegeführt betrieben. Infolge des hohen Wirkungsgrades geht keine Energie verloren, auch nicht im Sommer, denn der Stromverbrauch eines Haushaltes reicht gerade zur Deckung des Warmwasserbedarfs aus. Mit der Installation eines Wasserspeicher von 40-1000 Litern lässt sich auch im Hochsommer diese Wärme nutzen.

Die Standard-Brennstoffzellen für den Hausgebrauch besitzen eine Kunststoffmembran als Elektrolyt und haben eine Arbeitstemperatur von 80-200°C. Soll die Wärme bei höherer Temperatur anfallen sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen einzusetzen. Diese besitzen zwar den gleichen hohen Wirkungsgrad, vertagen aber keine schnellen Lastwechsel. Die Arbeitstemperatur liegt bei 700-900°C.

 

Funktionsweise und Kosten von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Es findet in ihrem inneren keine Verbrennung statt. Der Verbrennungsvorgang findet vielmehr getrennt an den Elektroden statt. Im Gegensatz zu bekannten Stromerzeugern, arbeitet eine Brennstoffzelle geräuschlos. Man hört allenfalls Geräusche von Nebenaggregaten, wie dem Lüfter. An dieser Stelle wird nur die Membran-Brennstoffzelle beschrieben, weil sie voraussichtlich ca. 90% des Marktes erobern wird.

Eine Brennstoffzelle macht aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom, Wärme, Wasser und sonst nichts. Es entsteht kein Rauch, keine umweltschädlichen Abgase und kein CO2. Die Abluft kann beispielsweise in Rechenzentren als Brandschutz verwendet. Durch die Abreicherung des Sauerstoffs auf ca. 15% sind die Raume zwar begehbar, es kann sich aber kein Brand ausbreiten.

Eine Brennstoffzelle hat Ähnlichkeit mit einer Batterie. Diese muss aber von Zeit zu Zeit mit Strom aufgeladen werden. Eine Brennstoffzelle läuft so lange wie Wasserstoff aus einem Rohrnetz oder Tank zugeführt wird.

30 kW

Quelle: Proton Motor

Eine Brennstoffzelle besteht aus vielen einzelnen Zellen. An der Anode wird der molekulare Wasserstoff (H2) von einem Katalysator adsorbiert und in Elektronen und Protonen (H+) gespalten. Das Elektron fließt durch den Draht und verrichtet nützliche Arbeit. Das Proton wandert durch die Elektrolytmembran und bildet mit dem Sauerstoff Wasser (H2O). Da die Spannung an der einzelnen Zelle mit ca. 1 V für technische Anwendungen zu klein ist, schaltet man viele solcher Einzelzellen zu einem Paket, dem Stack, hintereinander. Die Einzelzellen sind nur wenige Millimeter dick. Die Leistungsdichte für Anwendungen im Auto erreicht bei ca. 3 kW je Liter Stackvolumen.

Eine Brennstoffzelle besteht aus wenigen Einzelteilen und ist daher wie geschaffen für eine Massenfertigung.

  • Die Membran ist eine Kunstoff-Folie und wird gegossen und auf Rollen gewickelt, wie Folien für Plastiktüten.
  • Anoden und Kathoden werden aus einer Mischung von Trägermaterial und Katalysator (wie Bilder) auf diese Plastikfolie aufgedruckt.
  • Die bipolare Platte wird aus kohlenstoffhaltigem Kunststoff hergestellt oder aus Blech, dass korrosionsfest beschichtet ist. Die bipolare Platte wird meistens als Hohlkörper gestaltet, so dass diese Kammer als Wasserkühler genutzt wird.

Quelle: BINE

Quelle: Ballard

Das Bild ganz links zeigt den demontierten Stack. Das Bauteil mit dem welligen Rand ist die Membran. Sie ist auf beiden Seiten mit einem grauen Kunststoffpulver, den Elektroden, beschichtet. Die darüber liegende Platte ist die bipolare Platte. Diese trägt auf beiden Seiten Rillen zur Verteilung von Wasserstoff bzw. Luft. Alle Bauteile haben Durchbrüche. Durch diese Durchbrüche wird Wasserstoff und Luft, im Bedarfsfall auch Kühlwasser geführt.

 

Das Bild rechts veranschaulicht ein Brennstoffzellensystem für einen PKW. Hinten ist der Stack zu sehen, der meistens zwischen 80 und 160 KW skaliert ist. Im vorderen Bildteil ist die Versorgung zu sehen: Steuerelektronik, Kompressor, Luftbefeuchter, Kühler, Batterie, Gebläse und Heizregister. Auch der 700 bar-Tank ist Teil der Systemkosten (s. unten)

Die Versorgung einer Brennstoffzelle im Auto ist deshalb so aufwendig, weil diese in einem Temperaturbereich vom -30°C bis +50°C arbeiten muss. Damit die Brennstoffzelle nicht einfriert, wird sie nach dem Abschalten trocken geblasen. Dazu wird heiße Luft durch alle Kammern der Brennstoffzelle geblasen. Deshalb steht das Auto im Winter auf dem Parkplatz zunächst in einer Dampfwolke. Um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen wird, wie bei Verbrennungsmotoren, ein Kompressor genutzt. Dieses aufwendige System ist die Grundlage für die unten dargestellte Erhebung zu den Kosten eines Brennstoffzellensystems.

Für den stationären Betrieb sind die meisten Systemkomponenten entbehrlich. Es wird nur ein kleines Gebläse für die Luft und bei Bedarf eine Befeuchtung für den Wasserstoff gebraucht, denn das Proton (H+) reist am liebsten in Begleitung von Wassermolekülen. Eine Befeuchtung ist notwendig, wenn die Rückdiffusion des Wassers von der Kathodenseite nicht ausreicht. Die Brennstoffzelle im Keller wird immer warm gehalten. Deshalb ist sie ähnlich langlebig wie die heutigen Gasheizungen. Für das Auto wird die Lebensdauer auf 5000-10000 Stunden ausgelegt, was für ein Autoleben ausreicht. Die Brennstoffzelle ist dann nicht kaputt, nur der Verbrauch ist dann 12% höher. Die Lebensdauer im Auto wird hauptsächlich durch die vielen Kaltstarts begrenzt, was im Keller nicht passiert.

Wie bei jeder technischen Entwicklung sinken die Produktionskosten gemäß einer Lernkurve. Das gilt auch für Brennstoffzellensysteme. Mit Entwicklungsstand des Jahres 2010 betrugen diese Kosten 51 US$/kW. Nach Einschätzung des amerikanischen Energieministeriums werden diese bis 2015 auf 30 US$/kW sinken. Eine Studie im Auftrag der EU-Kommission schätzt die Kosten sogar auf 15 €/kW. Zu den Systemkosten gehört auch der 700 bar Wasserstofftank. Die Systemkosten sind also deutlich kleiner als bei Verbrennungsmotoren heute. Man sieht, dass etwa die Hälfte der Kosten auf das Versorgungssystem entfallen. Da das Versorgungssystem für eine stationäre Brennstoffzelle viel einfacher ist, werden diese tendenziell billiger sein.

Die nebenstehende Grafik zeigt den Einfluss der Stückzahl auf die Produktionskosten. Bei Kleinserien sind die Kosten danach um ein Vielfaches höher als bei Stückzahlen von 0,5 Mio./a. Das ist das Dilemma der Automobilindustrie, falls lediglich Kleinserien auf den Markt gebracht werden. Heute werden allein in Deutschland 6 Mio. PKW/a produziert, weltweit 80 Mio. Stück/a. Die Versorgung der deutschen Hauhalte würde ca. 30 Mio. Brennstoffzellen erfordern, allerdings mit kleinerer Leistung.

Quelle:DOE Fuel Cell Market Report 2011

Quelle: ZBT 2013

Die nebenstehende Grafik zeigt die Zellspannung einer “vorkommerziellen” Einzelzelle bei Variation des Sauerstoffangebots. Je nachdem, ob die Zelle wirkungsgradoptimiert oder leistungsoptimiert betrieben wird, liegt die Stromstärke zwischen 0,3 A/cm2 und 3 A/cm2. Man erkennte auch, weshalb die Zellen im Auto druckaufgeladen betrieben werden. Die Mitnahme von Sauerstoff würde den Wirkungsgrad und die Leistung nochmals erhöhen und das System vereinfachen. In einer Wasserstoffwirtschaft kann auch reiner Sauerstoff an den Tankstellen kostenlos verfügbar gemacht werden.

Eine Spannung von 0,8 V entspricht einem elektrischen Wirkungsgrad von ca. 68%. Eine stationäre Brennstoffzelle, die beispielsweise gewöhnlich bei 0,2 A/cm2 betrieben wird, kann durchaus kurzzeitig mit 2 A/cm2 betrieben werden. Allerdings geht der Wirkungsgrad dann von 68% auf 43% zurück. Die elektrische Leistung ist damit um das 6,5fache gestiegen. Brennstoffzellen sind also hoch überlastbar. Selbst dann erreichen sie immer noch Wirkungsgrade wie ein Großkraftwerk. Die Bezeichnung “Wirkungsgrad” ist für stationäre Brennstoffzellen irreführend, da eine wärmegeführte Energiewirtschaft keine Verluste kennt. Zutreffender ist die Bezeichnung “Stromanteil”.

Einsatz von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen lassen sich in allen Größen skalieren, ohne dass sie ihre wesentlichen Eigenschaften verlieren. So reicht die Spannweite vom Handy bis zum Ersatz eines Kraftwerks. Da die Energieversorger von dezentralen Brennstoffzellen im Wasserstoffnetz “not amused” waren, wurde die Entwicklung auf das schwerste aller Anwendungsfelder gelenkt: den Verkehr. Und siehe da, wo ein Wille ist, da ist auch ein Weg. Die ersten Brennstoffzellenautos werden in wenigen Jahren auf den Markt kommen. Wenn man heute von Brennstoffzellen spricht, meint man das Auto. Trotzdem, der Weg zur dezentralen Stromerzeugung mir erneuerbaren Energieträgern in Form von Wasserstoff ist nicht aufzuhalten, weil er mit geringeren Kosten das Energiesystem effizienter macht. Auf den folgenden Seiten werden zwei Anwendungsfälle beispielhaft beleuchtet.

aktualisiert: 05.07.2014

[Home] [Konzept] [H2-Herstellung] [Infrastruktur] [Brennstoffzellen] [Keller] [PKW] [Energiequellen] [Wahre Preise]

Impressum