Die Brennstoffzelle und ihre Einsatzmöglichkeiten
Die Erzeugung von elektrischem Strom mittels einer Brennstoffzelle gehört nicht zu den erneuerbaren Energien. Da aber der Wasserstofftechnologie eine sehr große Bedeutung in der zukünftigen Energieversorgung zugeschrieben wird und die Erzeugung mittels erneuerbarer Energien erfolgen kann, soll hier auch kurz auf die Brennstoffzelle eingegangen werden.
Das Grundprinzip einer Brennstoffzelle besteht in der direkten Stromerzeugung (ohne bewegliche Teile) aus einem Brennstoff (Wasserstoff) und einem Oxidant (Sauerstoff). Durch die direkte Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie werden sehr hohe Wirkungsgrade von bis zu 70 % erreicht. Zum Vergleich: Ein modernes Kohlekraftwerk erreicht einen Wirkungsgrad von ca. 40 %.
Historische Entwicklung
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt. Er umspülte zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff und stellte zwischen den Drähten eine Spannung fest. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Im gleichem Jahr hatte der englische Physiker Sir William Robert Grove in einer Gaskette, einer Kombination von Wasserstoff- und Sauerstoff und Platinelektroden in Schwefelsäure ebenfalls eine Spannung von etwa 1 Volt erzeugt.
Vor allem technische Probleme ließen die Brennstoffzelle fast 100 Jahre in Vergessenheit geraten. In den sechziger Jahren ließen vor allem die Raumfahrtindustrie und der militärische Bereich die Entwicklung wieder aufnehmen. 1996 wurde mit mehreren Anwendungen ein Durchbruch erzielt. Die Daimler Benz AG stellte eine wasserstoffbetriebene Großraumlimousine mit einem 50-kW-Elektromotor vor, Toyota ein Kraftfahrzeug mit einem 20-kW-Elektromotor. Zur Energieversorgung diente beiden Antrieben eine protonenleitende Membran-Brennstoffzelle.
Erfreulich ist, dass Deutschland neben Japan und den USA zu den führenden Nationen in der Forschung und Entwicklung auf diesen Gebiet zählt.
Funktionsweise der Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode wird der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und der Kathode der Oxidant (z. B. Sauerstoff) zugeführt. Der Elektrolyt verbindet beide Elektroden. Je nach Art des verwendeten Elektrolyten werden verschiedene Typen von Brennstoffzellen unterschieden. Diese werden prinzipiell nach der Höhe der Betriebstemperatur - von 100 °C bis 1000 °C -, nach Art des Brennstoffes - wie reiner Wasserstoff, Methan oder Methanol - und nach Art des Oxidanten - wie reiner Sauerstoff oder Luftsauerstoff - unterschieden.
An der Anode wird der Brennstoff oxidiert, die dabei entstehenden Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Kathode. Hier wird der Oxidant durch Elektronenaufnahme reduziert. Somit kommt ein Stromfluss im äußeren Stromkreis zustande. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit Sauerstoff und aus elektrischem Strom zugeführten Elektronen zu Wasser. Eine Einzelzelle liefert eine Spannung von 1,23 V. In der Praxis werden Reihen- und Parallelschaltungen der Zellen realisiert.
Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle
Brennstoffzellen gelten als Energiewandler der Zukunft. Durch den sehr hohen Wirkungsgrad und die Nutzung der entstehenden Wärme sind sie besonders schadstoffemissionsarm. Die Möglichkeit der Nutzung verschiedener Brennstoffe wie Wasserstoff, Erdgas oder auch Methanol macht sie sehr flexibel einsetzbar.
Zur Zeit finden weltweit die ersten Versuche zum Antrieb in PKWs und Bussen statt. Verschiedene namhafte Hersteller von Heizungssystemen bieten schon kleine BHKWs auf der Basis Brennstoffzelle für eine Hausenergieversorgung an. Die zur Zeit als Prototyp oder Kleinserie gebauten Geräte liefern ca. 1 bis 4 kW elektrischen Strom und 1,5 bis 7 kW Wärmeleistung, so dass ein Einsatz im Einfamilienhaus bzw. Geräte mit Zusatzbrenner auch im Mehrfamilienhaus sinnvoll sind. Mit einer Marktreife wird etwa zum Jahr 2008 gerechnet.
Pilotprojekt Ökologische Modellstadt Taucha bei Leipzig
In Taucha in der Leipziger Straße 109/109a wird in einem Doppelmehrfamilienhaus mit je 5 WE seit 2002 eine Brennstoffzellenanlage betrieben
Ing. Büro Döhler [15]
Im Jahr 2003 und 2005 folgten die Anlagen 2 und 3. Bei diesem Pilotprojekt handelt es sich um ein von der MITGAS AG betriebenes Brennstoffzellenkompaktheizgerät der Firma Sulzer Hexis AG, das maximal 800 W Strom und 2500 W Wärme liefert. Zur Abdeckung des Spitzenwärmebedarfs verfügt das Gerät noch über ein zusätzlich integriertes Gasbrennwertgerät. Die Brennstoffzellen werden wärmegeführt betrieben, d.h. der erzeugte Strom wird als »Abfallprodukt« ins öffentliche Netz eingespeist. Die gesamte Anlage wird mit Erdgas betrieben das entsprechend reformiert (in Wasserstoff umgewandelt) wird. Ein zukünftiger Betrieb mit reinem Wasserstoff, der zudem mittels regenerativer Energie erzeugt wird, macht solche Anlagen hinsichtlich der Umweltverträglichkeit besonders interessant. Zur Zeit ist die Wasserstoffspeicherung mit hoher Speicherdichte das noch zu lösende Problem.
Messtechnisch wird das gesamte Projekt vom Fachbereich Maschinen- und Energietechnik der HTWK Leipzig betreut, um auch eine längerfristige Aussage über Wirtschaftlichkeit und mögliche Probleme in der Praxis treffen zu können.
Der Shell Eco Marathon
Ein Team der Technischen Universität Chemnitz nahm mit einem selbstentwickelten Fahrzeug am Eco Marathon auf dem Nogaro Ring in Südfrankreich im Mai 2005 teil. Ziel des Rennens war, mit einem selbstgebauten Fahrzeug bei geringstem Kraftstoffverbrauch so weit wie möglich zu kommen. Das Fahrzeug wurde von einem 250-W-Elektromotor angetrieben, der seine Energie aus einer Wasserstoff-Brennstoffzelle bezieht.
Wind-/Wasserstoff-Brennstoffzellen-Projekt in Norwegen
Auf der kleinen westnorwegischen Insel Utsira läuft seit August 2004 ein sehr erfolgreiches Projekt zur Versorgung der 240 Bewohner mit Strom und Wärme. Zwei Enercon E40 Windkraftanlagen erzeugen Strom für die Bewohner und die Elektrolyse von Wasser. Die dabei entstehenden Wasser- und Sauerstoffmengen werden in großen Behältern gespeichert. Bei Windflaute oder Sturmabschaltung der Windmühlen kann dann auf den gewonnenen Wasserstoff zurückgegriffen werden. Dieser wird in einer 60-kW-Brennstoffzelle verstromt. Auf diese Weise lassen sich bis zu drei Tage Windausfall überbrücken. Der Gesamtwirkungsgrad dieser Energiegewinnungskette (Wind - Strom - Elektrolyse - Zwischenspeicherung - Brennstoffzelle - Strom) beträgt nur 25 %. Dies spielt jedoch keine Rolle, da Wind der primäre Energielieferant ist. Dieses Beispiel zeigt, dass Wasserstoff als Energiespeichermedium der Zukunft eine große Rolle beigemessen wird. Das Gesamtverfahren zeigt schon heute, dass es in Energienischen seine Anwendungsberechtigung hat. Der Hauptinvestor dieses Projektes ist der norwegische Konzern Norsk-Hydro.
Taucher mit Tarnkappe
Die zwei modernsten U-Boote der Bundesmarine sind mit einer Brennstoffzelle als Energielieferer ausgerüstet. Seit dem Frühjahr 2003 und dem Sommer 2005 sind sie die weltweit ersten U-Boote die sich ohne Luftzufuhr und Wärmeausstoß bewegen. Die Energie, die aus mitgeführtem flüssigen Wasser- und Sauerstoff in Brennstoffzellen erzeugt wird, reicht aus, das Boot unter Wasser auf 20 Knoten zu beschleunigen. Der mitgeführte Gasvorrat reicht für bis zu drei Wochen Unterwasserfahrt.