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Brennstoffzellen

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

28.07.2020

Letztes Update

30.03.2022

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  • Brennstoffzellen

Brennstoffzellen: Aufbau, Elektromobilität und weitere Anwendungsfelder

Inhalt des Wiki-Artikels

 

Eine Brennstoffzelle wandelt chemische in elektrische Energie um und ist somit ein galvanisches Element. Energie speichern kann sie nicht, doch in Verbindung mit einem Brennstoffspeicher können reversible Brennstoffzellen anstatt Akkumulatoren genutzt werden. Die Bezeichnung Brennstoffzelle bezieht sich meist auf die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, es gibt aber auch noch andere Arten. Anwendung finden Brennstoffzellen unter anderem in der Elektromobilität, sie werden in Autos, die mit Wasserstoff und einem Elektromotor fahren, eingebaut.1

So sind Brennstoffzellen aufgebaut

Brennstoffzellen setzen sich aus Elektroden zusammen, die von einer Membran oder einem Ionenleiter getrennt sind. Um die Anode befindet sich der Brennstoff, die Kathode ist von Oxidationsmittel umgeben. Welche Stoffe für den Bau einer Brennstoffzelle verwendet werden, ist von deren Typ abhängig. Elektrodenplatten sind in der Regel aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhrchen gefertigt und beschichtet. Zu deren Trennung werden gelöste Laugen oder Säuren, Keramiken, Alkalicarbonatschmelzen oder Membrane genutzt. Als Brennstoff können Wasserstoff, Methanol oder Methan dienen, während Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid gängige Oxidationsmittel sind. Folgende Brennstoffzellentypen sind bereits auf dem Markt oder in der Entwicklung:

  • Alkalische Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff
  • Polymerelektrolytbrennstoffzelle mit Wasserstoff und Luftsauerstoff
  • Phosphorsäurebrennstoffzelle mit Wasserstoff und Luftsauerstoff
  • Direktmethanolbrennstoffzelle mit flüssigem Methanol und Luftsauerstoff
  • Schmelzkarbonatbrennstoffzelle mit Wasserstoff/Methan/Kohlegas und Luftsauerstoff
  • Festoxidbrennstoffzelle mit Wasserstoff/Methan/Kohlegas und Luftsauerstoff2

Wirkungsgrad von Brennstoffzellen im Auto

Theoretisch können Brennstoffzellen einen Wirkungsgrad von über 80 Prozent entfalten. Ein Nachteil der mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle ist, dass hohe Verluste mit der Herstellung und dem Transport einhergehen. Wird die gesamte Kette betrachtet, erzielen Elektrofahrzeuge mit Batterie bisher einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Autos mit Brennstoffzellen.3 Zum Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs gehört nicht nur das eigentliche Modul, sondern auch Teile zur Luftversorgung, Kühlung, Steuerung und Brenngaserzeugung sowie ein Tank für den Energieträger. All diese Komponenten beeinflussen den Gesamtwirkungsgrad, so dass nicht die komplette zugeführte Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Werden diese Verluste berücksichtigt, sind Systemwirkungsgrade von rund 45 Prozent möglich – ein Dieselmotor erzielt schlechtere Resultate.4

Privilegien im deutschen Elektromobilitätsgesetz

Das Elektromobilitätsgesetz, kurz EmoG, ist 2015 in Deutschland in Kraft getreten und soll E-Autos mit Batterie oder Brennstoffzelle Privilegien im Straßenverkehr gewähren. Daraus resultierende Vorteile sind beispielsweise die Zuteilung von Parkplätzen mit Ladestation und günstigere Parkgebühren. Darüber hinaus ist vorgesehen, mehr regenerative Energiequellen für den Verkehr zu erschließen. Die Etablierung der E-Mobilität soll dazu beitragen, klimaschädliche CO2-Emissionen zu vermeiden.

Zuständig im Bereich Elektromobilität ist das BMVI, das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, das Forschung und Entwicklung, den Ausbau der Ladeinfrastruktur und die Anschaffung von E-Autos fördert. Zuschüsse werden im Straßenverkehr für Pkw und Transportfahrzeuge mit Hybrid-, Brennstoffzellen- und Batterieantrieben gewährt. Förderungen gibt es außerdem für die Schifffahrt, den Schienen- und den Luftverkehr.5

Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

Interessant ist die Technologie mit Wasserstoff und Brennstoffzellen für E-Fahrzeuge auch deshalb, weil bei der Energieumwandlung lediglich purer Wasserdampf freigesetzt wird und sie somit eine saubere Lösung für den Straßenverkehr wäre. Von der Bundesregierung wird daher seit 2007 das „Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ (NIP) unterstützt. Für die Umsetzung des Programms ist das BMVI in Zusammenarbeit mit Wissenschaft und Industrie zuständig.6 Im Jahr 2016 schloss das NIP II an seinen Vorgänger an, das Fördergelder zur Marktaktivierung und für Maßnahmen von Forschung, Entwicklung und Innovation vorsieht. Auf diese Weise soll die Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologie wettbewerbsfähig im Verkehr installiert werden.7

Weitere Anwendungsfelder von Brennstoffzellen

Neben der Verwendung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen gibt es einige weitere Bereiche, in denen Brennstoffzellen eingesetzt werden. Vorteile bieten sie vor allem im stationären Einsatz, da neben der elektrischen Energie auch zugleich die Wärme nutzbar ist. Stationäre, mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellensysteme werden abhängig von ihrer Größe zur Energieversorgung von Einfamilienhäusern, Krankenhäusern, Schwimmbädern oder kleinen Kommunen eingesetzt.

Erprobt werden zudem portable Brennstoffzellen, die Batterien und Akkus in kleineren Geräten ablösen könnten. Anwendungsgebiete sind die Telekommunikation, Notebooks, Filmkameras, Wohnmobile und Segelboote. Die Mikrobrennstoffzellen könnten mit Methanol oder Wasserstoff betrieben werden, wobei für letzteren noch eine Lösung zur Speicherung von kleinen Mengen aussteht.8

Energieeffiziente Brennstoffzellen-Heizungen

Viel Energie wird in Deutschland für die Warmwasserbereitstellung und das Heizen aufgewendet. Ein großes Einsparpotenzial bieten moderne Heizungsanlagen, welche deutlich weniger Strom als eine Ölheizung verbrauchen. Unter den verschiedenen Technologien findet sich die Brennstoffzellen-Heizung, die praktisch ein kleines Blockheizkraftwerk ist. Sie liefert zusätzlich zur Wärmeenergie für die Warmwasseraufbereitung und zum Heizen elektrische Energie, die beispielsweise für das Betreiben von Haushaltsgeräten genutzt wird. Verglichen mit Strom aus dem Netz und einem Gas-Brennwert-Heizkessel entstehen bei Nutzung einer Brennstoffzellen-Heizung etwa ein Drittel weniger CO2-Emissionen.9

Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle

Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen haben viele Vorteile, aber auch einige Nachteile. Zu den positiven Aspekten zählen:

  • Hoher Wirkungsgrad
  • Schadstofffreiheit bei sauberem Wasserstoff
  • Geräuscharmes Arbeiten
  • Wasserstoff kann mit regenerativen Energien gewonnen, in Pipelines über große Strecken transportiert und gespeichert werden

Diese Nachteile haben Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff angetrieben werden:

  • Brennstoffzellen kosten noch viel
  • Ihre Lebensdauer ist noch nicht zufriedenstellend
  • Es gibt noch keine Infrastruktur für Wasserstoff
  • Wasserstoff hat eine geringe volumetrische Energiedichte
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