Brennstoffzellen: Das Prinzip verständlich einfach erklärt
Viele nennen die Brennstoffzelle immer wieder als alternative Energiequelle für Fahrzeuge und Heizzwecke. Wie ist das Prinzip einer Brennstoffzelle und kommt sie schon zum Einsatz?
Inhalt des Blogartikels
Was ist eine Brennstoffzelle?
Erstaunlicherweise ist die Idee der Brennstoffzelle schon sehr alt. Der britische Physiker William Grove beschrieb bereits 1839 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Strom, die er „galvanische Gasbatterie“ nannte. Er nutzte die Tatsache aus, dass bei der kalten Oxidation von Wasserstoff Strom und Wärme frei werden. Wie bei einer Verbrennung entsteht im Ergebnis dieser chemischen Reaktion lediglich Wasser (chemische Formel H2O). Von daher leitet sich die heute gebräuchliche Bezeichnung Brennstoffzelle ab.
Mit den damaligen technischen Möglichkeiten arbeitete die Vorrichtung sehr ineffektiv und war nicht praxistauglich. Deshalb geriet die Idee bald in Vergessenheit. Erst über 100 Jahre später wurde die Erfindung wieder aufgegriffen. In den 1950er-Jahren setzten U-Boote Brennstoffzellen für die Stromversorgung ein. Ab den 1960er-Jahren fanden sie in der Raumfahrt Verwendung.
Für den allgemeinen Einsatz waren Brennstoffzellen viel zu teuer. In der Rüstungsindustrie und Raumfahrt spielte damals Geld jedoch keine Rolle. Erst gegen Ende der 1980er-Jahre wurde die Brennstoffzelle für Anwendungen außerhalb von Rüstung und Raumfahrt relevant. Mit der Suche nach alternativen Energiequellen zu Öl, Gas und Kohle geriet sie wieder in den Fokus von Forschung und Entwicklung. Zeitweilig galt sie als die vielversprechendste Technologie bei der Ablösung fossiler Brennstoffe für Fahrzeuge und Heizung. Aber aufgrund der immer noch hohen Kosten konnte sie sich bislang nicht in größerem Umfang durchsetzen.
Aufbau und Funktion einer Brennstoffzelle
Das Prinzip einer Brennstoffzelle ist relativ einfach. Sie besteht aus 2 Elektroden, die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Außen sind die beiden Elektroden an einen Stromkreis angeschlossen. Wie bei einer Batterie ist die eine Elektrode der Pluspol (Anode), die andere ist der Minuspol (Kathode).
Auf der Seite der Kathode strömt Wasserstoff in die Zelle und trennt sich in Elektronen und Atomkern. Die Sauerstoff-Atome werden zu positiv geladenen Ionen, die durch die Elektrolyt-Sperre hindurchdringen. Auf der Seite der Anode strömt Sauerstoff hinein. Der Sauerstoff ist sehr reaktionsfreudig und verbindet sich mit den Wasserstoff-Ionen.
Allerdings fehlen noch die Elektronen, die von den Wasserstoff-Atomen abgespalten wurden. Für sie ist die Elektrolyt-Membran nicht durchlässig. Sie müssen über den angeschlossenen Stromkreis auf die Sauerstoff-Seite gelangen, wo ein Mangel an Elektronen herrscht. Über die im Stromkreis befindlichen Verbraucher fließt somit Strom.
Als stoffliches Ergebnis der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Wasser. Energetisch gesehen liefert diese Reaktion elektrische Energie und Wärme.
Bezogen auf den Einsatz in einem Fahrzeug haben Brennstoffzellen eine Lebensdauer von bis zu 450.000 Kilometer Fahrleistung. Für Blockheizkraftwerke auf Basis von Brennstoffzellen beträgt die derzeitige Lebensdauer circa 10 Jahre.
Wo kommt das Brennstoffzellen-Prinzip zum Einsatz?
Wir haben es schon angedeutet: Brennstoffzellen finden ihren Einsatz als Blockheizkraftwerk in Einfamilienhäusern und zur Stromerzeugung für Elektrofahrzeuge. Während es bereits BHKW mit Brennstoffzelle aus der Serienproduktion zu kaufen gibt, befindet sich die Technik im Fahrzeugsektor noch im Prototypenstadium. Einige der großen Pkw-Hersteller haben in den vergangenen Jahren schon Fahrzeuge mit Brennstoffzelle vorgestellt.
Allerdings ist die Technik immer noch relativ teuer. Eine flächendeckende Versorgung mit Wasserstofftankstellen ist ebenfalls noch in weiter Ferne. Zumal die Erzeugung von Wasserstoff mit dem üblichen Verfahren der Elektrolyse viel Strom verschlingt. Und solange dieser Strom nicht aus regenerativen Energien stammt, ist die Umweltbilanz eines Fahrzeugantriebs mit Wasserstoff eher negativ.
Ein anderes Erzeugungsverfahren verwendet Erdgas beziehungsweise Erdöl als Ausgangsstoff. Das heißt, es kommen fossile Brennstoffe zum Einsatz. Das ist kontraproduktiv, da mit dem Einsatz von Wasserstoff gerade die Nutzung fossiler Brennstoffe vermieden werden soll.
Ein anderer Zweig in der Forschung ist die Entwicklung von Hybrid-Autos. Dabei gibt es 2 Richtungen:
- Zum einen besteht die Möglichkeit, bei einem Elektroauto mit Batterie zusätzlich eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung zu verbauen. Damit ließe sich die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen sowie Größe und Gewicht der Batterie verringern.
- Die andere Richtung besteht darin, den Elektroantrieb mit einem Verbrennungsmotor für Wasserstoff zu kombinieren, quasi ein Wasserstoff-Hybrid-Auto. Allerdings haben aktuelle Wasserstoffmotoren einen geringeren Wirkungsgrad als Diesel- und Benzinmotoren.
Derzeit konzentrieren sich alle großen Pkw-Hersteller auf die Entwicklung und Fertigung von Elektroautos mit Batterie. Im Bus- und Lkw-Bereich stehen die Chancen für Brennstoffzellen und Wasserstoff besser. Zum Beispiel setzt die Regionalverkehr Köln GmbH seit 2011 einige Wasserstoffbusse ein. Bis 2030 soll die gesamte Flotte aus solchen Bussen bestehen.
Was sind die Vor- und Nachteile des Brennstoffzellen-Prinzips?
Ein großer Vorteil des Brennstoffzellen-Prinzips ist, dass sie den Strom und die Wärme ohne bewegte Teile und ohne Lärm erzeugt. Außerdem ist die Effizienz der Erzeugung sehr hoch. Beim Betrieb einer Wasserstoff-Brennstoffzelle entsteht nur Wasser. Umweltschädliche Abgase fallen nicht an.
In Bezug auf Kraftfahrzeuge ist der Vorteil, dass der Tankvorgang wesentlich kürzer ist als der Ladevorgang eines Elektroautos mit Batterie. Damit ist das Nachtanken unterwegs auch wesentlich unkomplizierter und zeitsparender – immer vorausgesetzt, dass ein ähnlich dichtes Tankstellennetz für Wasserstoff existiert wie heutzutage für Diesel und Benzin.
Damit sind wir auch gleich beim ersten Nachteil von Brennstoffzellen: Dieses Tankstellennetz gibt es noch nicht. Ein weiterer Nachteil sind die immer noch hohen Herstellungskosten. Der Grund liegt in der notwendigen Verwendung des sehr teuren Metalls Platin.
So steht es um die Zukunft von Brennstoffzellen
Ob Brennstoffzellen in Zukunft eine höhere Bedeutung für umweltverträgliche Fahrzeuge haben werden, lässt sich heute noch nicht sagen. Derzeit sind die Herstellungskosten noch viel zu hoch. Auch das Problem der Massenherstellung von „grünem“ Wasserstoff ohne Beteiligung von fossilen Energieträgern und seine Speicherung ist noch ungeklärt.
Brennstoffzellen lassen sich allerdings für die Verwendung von Methan oder Erdgas als Brennstoff bauen. Doch da sind wir wieder bei (zum Teil) fossilen Brennstoffen. Derzeit werden diese Brennstoffzellen eher für Blockheizkraftwerke eingesetzt.
Aufgrund der hohen Kosten bei der Fertigung von Brennstoffzellen und der ungeklärten Fragen bei der Versorgung mit Wasserstoff konzentrieren sich die Kfz-Hersteller auf die Weiterentwicklung der Batterietechnik in Fahrzeugen. Der Brennstoffzelle widmen sie daher weniger Entwicklungsarbeit. Aus diesen Gründen sind in naher Zukunft im Pkw-Bereich keine großen Fortschritte zu erwarten. Bei Lkw und Bussen sieht das möglicherweise anders aus.
