PEMFC - proton exchange membrane fuel cell

Informationen zum Thema Brennstoffzelle

 

Um was es bei dieser Seite geht

Diese Homepage soll einige hoffentlich interessante und nützliche Informationen zu Brennstoffzellen bereitstellen. Sie finden auf dieser Seite allgemeine Informationen über die Funktion einer Brennstoffzelle und über deren Vor- und Nachteile.

Die genaue Funktionsweise einer Brennstoffzelle wird am Beispiel der PEMFC beschrieben.

Meine Formelsammlung für Brennstoffzellen stellt einige wichtige Berechnungen zum Thema zusammen. Eine Version für Smartphones finden Sie hier.

Und dann gibt es noch den Versuch eines Brennstoffzellen-Taschenrechners FC-Calc (auch zur Nutzung für Smartphones geeignet).

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Inhaltsverzeichnis

1 Die Probleme der heutigen Energiepolitik
1.1 Strom
1.2 fossile und regenerative Brennstoffe
1.3 Reichweite fossiler Brennstoffe
1.4 Schadstoffemission und Kohlendioxid
1.5 Stromerzeugung
1.6 Energieträger und Energiespeicherung
1.7 elektrische Energiespeicher

2 Die Brennstoffzelle
2.1 Was bringt eine Brennstoffzelle?
2.2 Was ist überhaupt eine Brennstoffzelle?
2.3 Welche Brennstoffe kommen für Brennstoffzellen in Frage?
2.4 Welche Perspektiven haben Brennstoffzellen?
2.5 Welche Einsatzmöglichkeiten gibt es für die Brennstoffzelle?
2.6 Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle

1. Die Probleme der heutigen Energiepolitik

1.1 Strom

Bitte überlegen Sie sich einmal, wie viele Elektrogeräte Sie zu Hause und bei der Arbeit an einer Steckdose angeschlossen haben. Vermutlich ist es eine fast unzählbare Anzahl: Beleuchtung, Rasierapparat, Föhn, Toaster, Eierkocher, Wasserkochen, Radio, Waschmaschine, Trockner, Fernseher, Computer, Pumpe für Aquarium, Nähmaschine, usw. Woher kommt denn eigentlich der Strom für diese Geräte? Aus der Steckdose, klar, aber wie kommt der Strom da hinein? Entfernt stehende Kraftwerke produzieren den elektrischen Strom aus Kohle, Erdgas, Biomasse, Kernenergie, Wasser, eventuell sogar Sonnenenergie. Über Hochspannungsleitungen wird der Strom dann auf die Industrieunternehmen und Haushalte verteilt.

Ohne Strom (elektrische Energie) geht heutzutage nichts mehr. Früher war das offenbar anders. Das zeigt schon die Tatsache, dass in älteren Häusern die Anzahl der Steckdosen viel geringer ist als in modernen Gebäuden. Elektrische Energie bildet die Grundlage der modernen Gesellschaft, da elektrische Energie einfach nutzbar ist und einen hohen Anteil nutzbarere Energie (Exergie) beinhaltet. Dadurch wird Strom zur wertvollsten aller Energieformen. Leider kommt elektrischer Strom im Gegensatz zu anderen Energieformen in der Natur so gut wie nicht vor, oder zumindest nicht in bislang nutzbarer Form. Bei Gewittern gibt es heftige Blitze, in denen sehr, sehr viel Strom in extrem kurzer Zeit einen Ladungsausgleich herstellt. Es gibt Tierarten, die elektrischen Strom "herstellen" können, zum Beispiel Zitteraale. Beide Beispiele zeigen, dass elektrische Energie in der Natur zwar vorkommt, aber nicht in für uns nutzbarer Form. Dass Strom in der Natur nicht vorkommt liegt daran, dass elektrischer Strom in größerer Menge nur schlecht gespeichert werden kann. Aus diesem Grund muss elektrische Energie immer hergestellt werden, und zwar in möglichst genau der Menge, in der sie auch benötigt wird. Die Herstellung elektrischer Energie erfolgt durch Umwandlung verschiedener Energieformen, die Basis bilden sogenannte Primärenergien. Primärenergien sind die ersten Glieder in der Energieumwandlungskette zur gewünschten Energieform. Beispiele für Primärenergien sind Erdgas, Kohle, Wind, Wasser, Sonne usw.

1.2 fossile und regenerative Brennstoffe

Fossile Brennstoffe (z. B. Kohle, Erdöl und Erdgas) sind Primärenergien, die auf unserer Erde nur in begrenztem Ausmaß vorhanden sind. Da der natürliche Umwandlungsprozess aus Biomasse über mehrere Millionen Jahre erfolgte, sind fossile Brennstoffe nicht regenerativ und nicht nachwachsend. Regenerative Primärenergien sind zum Beispiel Sonnenenergie, Wind- und Wasserkraft, Holz usw.

In unserer Gesellschaft nimmt der jährliche Energiebedarf weltweit zu. Wir "verbrauchen" jeden Tag so viel fossile Brennstoffe wie die Erde in 1500 Jahren gespeichert hat. Da ein Großteil der "wertvollen" elektrischen Energie aus fossiler Primärenergie hergestellt wird, muss es zwangsläufig irgendwann zu Versorgungsengpässen fossiler Brennstoffe kommen. Auch unsere heutige Mobilität (PKW-, LKW-, Schiff- und Flugzeugverkehr und zum Teil auch Bahnverkehr) basiert fast ausschließlich auf fossilen Brennstoffen.

1.3 Reichweite fossiler Brennstoffe

Bezüglich der fossilen Brennstoffe lautet die zentrale Frage: Welche Menge an fossilen Brennstoffen steht uns noch zur Verfügung? Diese Frage lässt sich so einfach nicht beantworten. Am Beispiel von Erdöl soll die Komplexität dieser Frage kurz erläutert werden.

Die Antwort obiger Frage hängt von zwei Punkten ab. Punkt Eins: Wie viel Erdöl wird jeden Tag gefördert und verbraucht? Förderquote und Verbrauch sind beinahe identisch, da es sehr teuer ist, Erdöl zu lagern. Punkt Zwei: Wie viel Erdöl steht uns noch zur Verfügung? Die aktuelle Erdölförderquote und der Verbrauch lassen sich exakt bestimmen. Aktuell liegt der Rohölbedarf weitweit bei etwa 85 Mio Barrel pro Tag oder 30 Mrd Barrel pro Jahr. Schwieriger ist die Voraussage, wie viel Erdöl in den nächsten Jahren und Jahrzehnten benötigt werden wird. Der zweite Punkt, wie viel Erdölreserven- und -ressourcen existieren, ist bei den Experten sehr umstritten. Selbst mit hohem technischen Aufwand ist es nicht möglich, die genaue Größe von Erdölfeldern zu bestimmen. Weiterhin ist unklar, welche Erdölvorkommen tatsächlich genutzt werden können.

Über zwei Dinge sind sich die Experten einig. Erstens: Erdöl wird auf der Erde immer vorhanden sein. Die Frage ist, ob deren Förderung wirtschaftlich technisch machbar und wirtschaftlich ist. Eventuell kann auch nicht-konventionelles Erdöl (Teersand, Schweröl, verflüssigte Kohle) genutzt werden. Zweitens herrscht Einigkeit auch dahingehend, dass irgendwann ein Fördermaximum bei konventionell verfügbarem Erdöl erreicht sein wird. Ab diesem bestimmten Zeitpunkt sinkt die Förderquote, obwohl der weltweite Energiebedarf weiter steigt. Diesen Punkt nennt man Peak Oil. Der weltweite Peak Oil bedeutet zwangsläufig das Ende des billigen Öls!

Übrigens hat die USA ihren nationalen Peak Oil schon seit 1970 hinter sich. Bereits damals wurde in den USA mehr Erdöl verbraucht als im eigenen Land gefördert wurde. Wann der weltweite Peak Oil-Zeitpunkt erreicht sein wird, ist unklar und sehr umstritten: Im Jahr 2010, 2020 oder erst 2040? Aber egal wann der besagte Zeitpunkt kommt, sicher ist eines: Die Welt steuert ihm unenthaltsam entgegen.

Da die Frage nach den weltweit verfügbaren Rohöl-Vorräten nicht klar beantwortet werden kann, lohnt sich ein Blick zurück in die Geschichte der Rohölförderung. Also weg von Spekulationen, hin zu Fakten. Erdöl wurde schon vor 12.000 Jahren als Brennstoff verwendet. Die kommerzielle Rohölförderung begann aber erst um 1860. Seither wurden weltweit etwa 900 Mrd Barrel Erdöl gefördert. Aktuell fördern wir weltweit mit 30 Mrd Barrel pro Jahr also 1/30stel dieser bisher insgesamt geförderten Rohölmenge, wohlgemerkt jährlich. Das ist viel!

Die heute geförderten Rohölvorkommen sind etwa 300 bis 400 Millionen Jahre alt. Und selbst schnelle Entwicklungsprozesse von Erdöl dauern etwa 15.000 Jahre. Die Menschheit hat in nur etwa 150 Jahren einen nicht unerheblichen Anteil der Rohölvorkommen aufgebraucht. Wir können also schwer erwarten, dass die Natur Erdöl schnell genug nachliefert, um den derzeitigen Bedarf nachhaltig zu decken.

Es gibt also keine zuverlässigen Angaben, wie lange die fossilen Energievorräte der Erde ausreichen, um den wachsenden Bedarf zu decken. Unter der Annahme, dass der heutige Primärenergiebedarf sich nicht ändert, reichen gesicherte Erdölreserven ca. 40 Jahre und Erdgasreserven etwa 60 Jahre. Bei Kohle sieht es etwas besser aus, sie reicht vermutlich noch mehr als 200 Jahre. Über die noch nicht entdeckten Ressourcen herrscht Unklarheit.

Mehr hierzu in dem Buch Die H2-Revolution (siehe Quellenangaben und weiterführende Links).

1.4 Schadstoffemission und Kohlendioxid

Die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen belastet unsere Umwelt mit Schadstoffen. Durch hohe Temperaturen und unvollständige Verbrennung entstehen Kohlenmonoxid, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Rußpartikel.

Alle fossilen Brennstoffe sind Kohlenwasserstoffe und enthalten Kohlenstoff und Wasserstoff. Kohlendioxid ist (neben Wasser) das Hauptprodukt bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen. Kohlendioxid steht im Verdacht, für die globale Erderwärmung mit verantwortlich zu sein. Die Reduzierung der Kohlendioxidemission ist das Ziel zahllosen Bemühungen und wird als Entkarbonisierung bezeichnet. Kohle besteht großteils aus Kohlenstoff. Bei der Verbrennung von Kohle wird also viel Kohlendioxid frei. Manche Kohlenwasserstoffe enthalten viel Kohlenstoff im Verhältnis zu Wasserstoff, z. B. Benzin, Diesel, Kerosin. Bei deren Verbrennung wird entsprechend auch viel Kohlendioxid frei. Andere Kohlenwasserstoffe enthalten weniger Kohlenstoff pro Wasserstoff, z. B. Butan, Propan, Erdgas oder Methanol. Bei deren Verbrennung wird entsprechend weniger Wasserstoff frei. Der einzige "Kohlenwasserstoff" ohne Kohlenstoff ist Wasserstoff. Bei der Verbrennung von Wasserstoff wird demnach kein Kohlendioxid frei.

Bei der Verbrennung von Biomasse (Holz, Bioalkohole, Biogas) wird auch Kohlendioxid frei. Dieses Kohlendioxid wurde aber beim Wachstum der Pflanzen durch die Photosynthese der Umgebung entzogen. Damit ist die Verbrennung von Biomasse bezüglich Kohlendioxids global emissionsneutral.

Auch fossile Rohstoffe haben irgend wann einmal Kohlendioxid aus der Umgebung entnommen, aber das ist viele Millionen Jahre her. Das Problem ist, dass die Menschheit in den letzten 150 Jahren so viel fossile Rohstoffe verbrannt hat, dass das natürliche Gleichgewicht nicht mehr gewährleistet ist.

Die Belastung der Umwelt durch Schadstoffemission kann unter anderem reduziert werden durch Energieeinsparmaßnahmen, technische Verbesserungen, die vermehrte Verwendung von regenerativen Primärenergiequellen oder die Verbesserung der Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung.

1.5 Stromerzeugung

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern lediglich von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. Der Begriff "Stromerzeugung" ist zwar gebräuchlich, aber genau genommen nicht richtig. Er bezeichnet lediglich die Umwandlung verschiedener Energieformen in elektrische Energie.

Jede Umwandlung von einer Energieart in eine andere ist mit mehr oder weniger großen Verlusten behaftet. Das Verhältnis der vor der Umwandlung vorhandenen Energie und der danach verfügbaren nutzbaren Energie (Exergie) wird als Wirkungsgrad bezeichnet. Der technisch nicht nutzbare Anteil, der durch die Umwandlung "verloren" geht, wird als Anergie bezeichnet.

Die konventionelle Stromgewinnung erfolgt zum Teil über eine Vielzahl verschiedener Energiearten. In den meisten heutigen Kraftwerken wird die chemische Energie fossiler Brennstoffe zuerst durch Verbrennung in Wärme (thermische Energie), dann über einen thermomechanischen Prozess (Dampfturbine) in Bewegung (mechanische Energie) und schließlich durch einen elektromechanischen Prozess (Generator) in Strom (elektrische Energie) umgewandelt. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer in mechanische Energie ist theoretisch durch den sogenannten Carnot-Faktor auf etwa 50% begrenzt. Der Wirkungsgrad der gesamten Energieumwandlungskette beträgt in der Praxis nur etwa 30 bis 35%. Der Rest geht in Form von technisch nicht nutzbarer Energie "verloren", z. B. für den Eigenverbrauch bei der Stromgewinnung, Reibung oder Leitungsverluste.

In einem Verbrennungsmotor sieht die ganze Sache noch schlechter aus. Selbst moderne Verbrennungsmotoren (im Auto) haben im Teillastbereich einen Wirkungsgrad von weniger als 20%, der Rest geht unter anderem in Form von Wärme verloren! Der Gesamtwirkungsgrad der Energieumwandlungskette von der im Rohöl gespeicherten chemischen Energie bis zur Bewegungsenergie (kinetische Energie) im fahrenden Auto liegt teilweise unter 5%, der Rest ist "Abfall".

Grafik Stromerzeugung

Bei dieser Betrachtung wird schnell klar, dass Alternativen zur konventionellen Stromgewinnung einen besseren Wirkungsgrad besitzen müssen.

1.6 Energieträger und Energiespeicherung

Sehr allgemein sind Energieträger Stoffe oder Systeme, die Energie beinhalten, aufnehmen und damit speichern können. Fossile Brennstoffe wie Öl, Erdgas und Kohle sind Energieträger, die chemische Energie beinhalten. Holz, Biomasse, Rapsöl usw. sind regenerative Energieträger, die ebenso chemische Energie beinhalten. Die Gezeiten und Flüsse sind Energieträger, die potentieller Energie (Lageenergie) von Wasser beinhalten. Wind kann als Energieträger bezeichnet werden, da er kinetische Energie (Bewegungsenergie) beinhaltet. Auch ein Schwungrad kann kinetische Energie speichern und wieder abgeben. Ein Heizkesseln speichert thermische Energie (Wärme). Radioaktive Elemente sind Energieträger, da durch den Ablauf physikalischer Prozesse Wärme erzeugt werden kann. Sonnenlicht ist ein Energieträger, der Strahlungsenergie beinhaltet.

Im engeren Sinn sind Energieträger aber Stoffe, die einfach in nutzbare Energie umgewandelt werden können. Z. B. kann der Energieträger Benzin im Verbrennungsmotor einfach in kinetische Energie (Bewegung) umgewandelt werden. Der Energieträger Holz kann in einem Ofen einfach in thermische Energie (Wärme) umgewandelt werden. Da die Stromerzeugung meist über Umwege erfolgt (siehe oben), fehlt bislang der ideale Energieträger zur Herstellung elektrischen Energie.

An einen geeigneten alternativen Energieträger werden deshalb folgende Anforderungen gestellt:

Die Energiespeicherung erfolgt in Energieträgern. Da es viele verschiedene Energieträger gibt, existieren auch viele verschiedene Möglichkeiten der Energiespeicherung. Abhängig von der Art der Energie (chemisch, thermisch, mechanisch, elektrisch, kinetisch, ...) ist die Speicherung mehr oder weniger effizient und realisierbar. In Form chemischer Energie ist Energie unendlich lange und in beliebig großer Menge speicherbar (siehe fossile Primärenergien). Leider bereitet aber gerade die Speicherung des "wertvollen" elektrischen Stroms einige Probleme.

1.7 elektrische Energiespeicher

Elektrische Energie (elektrischer Strom) kann nicht so einfach gespeicher werden wie chemische Energie. Elektrische Energie kann direkt oder indirekt über die Umwandlung in eine geeignete andere Energieform bzw. Energieträger gespeichert werden. Direkte Speicherung elektrischer Energie erfolgt zum Beispiel in einem Kondensator, indirekte Speicherung in Form von Wasser erfolgt zum Beispiel in einem Pumpspeicherkraftwerk.

Es gibt kein pauschal gutes oder schlechtes EESS. Je nach Anwendungsgebiet kann der eine oder andere Speicher Vorteile bieten. Für Langzeitspeicherung sollte die Selbstentladung gering sein, für Kurzzeitspeicher spielt eher die Geschwindigkeit der Lade- und Entladevorgänge eine entscheidende Rolle. Insgesamt sollte der Wirkungsgrad aber immer möglichst hoch (nahe eins oder 100%) sein.

Einige Beispiele für elektrische Energiespeicher:

Jedes dieser Beispiele zeigt, dass elekrische Energie in über verschiedene Systeme zwar gespeichert werden kann. Dennoch hat jedes System spizische Vor- und Nachteile. Pumpspeicherkraftwerke haben einen hohen Wirkungsgrad, eine sehr hohe Leistung und Kapazität, sind aber stark von der geografischen Lage abhängig und natürlich nicht mobil. Li-Ion-Akkus haben einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Speichdichte, aber auch eine hohe Selbstentladung. Für mobile Anwendungen wie elektronische Geräte mag die Speicherdichte von Akkus noch ausreichend sein. Für den Antrieb eines Elektrofahrzeuges kann jedoch kein elektrisches Energiespeichersystem mit einem herkömmlichen Benzin- oder Dieseltank mithalten. Die anfängliche Euphorie der Elektrofahrzeuge hat deshalb stark nachgelassen.

Auf der Suche nach geeigneten alternativen Energieträgern, die irgend wann einmal die zur Neige gehenden fossilen Energieträger ablösen könnten, sind schon sehr viele Möglichkeiten diskutiert worden. Die Energieträger Erdgas, Methanol und Wasserstoff werden den oben genannten Anforderungen vor allem in Hinblick auf Mobilität am ehesten gerecht.

 

2 Die Brennstoffzelle

2.1 Was bringt eine Brennstoffzelle?

Eine von sicher vielen möglichen Ansätze zur Lösungen der oben angesprochenen Probleme bei der Gewinnung elektrischer Energie bietet die Brennstoffzellen (Abkürzung BZ, englisch fuel cell oder FC). Die chemische Energie geeigneter Brennstoffe kann in einer Brennstoffzelle direkt in elektrische Energie umgewandelt werden, ohne dabei im Wirkungsgrad durch den Carnot-Faktor (s. o.) begrenzt zu sein. Dadurch können sehr hohe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von chemischer in elektrische oder thermische Energie erreicht werden.

Ein weitere Vorteil der Brennstoffzelle ist die geringe Schadstoffemission. Bei der herkömmlichen, auf Verbrennung basierenden Nutzung von chemischer Energie entstehen durch zum Teil sehr hohe Temperaturen viele Schadstoffe, die Mensch und Umwelt belasten (s. o.). Bei der Verwendung von Brennstoffzelle entsteht je nach Brennstoffzellen-Technologie nur Wasser bzw. Wasser und Kohlendioxid als Abfallprodukt. Bei allen Brennstoffzellen-Typen (auch bei den Hochtemperatur-Brennstoffzelle) ist die Temperatur so niedrig, dass keine nennenswerten Konzentrationen z. B. an NOx entstehen können. Insgesamt ist der Schadstoffausstoß bei Brennstoffzellen sehr viel geringer als bei der thermischen Nutzung von Brennstoffen.

2.2 Was ist überhaupt eine Brennstoffzelle?

Bereits 1838 entdeckte der deutsche Chemiker Christian Friedrich Schönbein das Prinzip der Brennstoffzelle. Fast zeitgleich schrieb 1839 der englische Jurist und Hobby-Physiker Sir William Grove eine Notiz üder dieses neue Prinzip. Beide Wissenschaftler hatten in dieser Zeit intensiven Kontakt und arbeiteten gemeinsam an diesem Thema. Das Prinzip der Brennstoffzelle beruht auf dem umgekehrten Prozess der Elektolyse. Bei der Elektrolyse wird Wasser durch elektrischen Strom in seine beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. In einer Brennstoffzelle wird durch die Verbindung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser Strom erzeugt. Bekannt ist diese chemische Reaktion der beiden Gase Wasserstoff und Sauerstoff auch unter dem Namen "Knallgasreaktion". In einem bestimmten Mischungsverhältnis reagieren beide Gase nach Zündung unter heftiger Explosion und mit lauten Knall. Im Unterschied dazu läuft in einer Brennstoffzelle diese Reaktion kontrolliert ab, und es entsteht nutzbare elektrische Energie (Strom) und thermische Energie (Wärme).

Der Aufbau und die Funktion einer Brennstoffzelle wird am Beispiel der PEMFC genauer erklärt.

2.3 Welche Brennstoffe kommen für Brennstoffzellen in Frage?

Alle Brennstoffzellen können mit Wasserstoff betrieben werden. Je nach Brennstoffzellen-Typ können aber auch fossile und regenerative Brennstoffe wie Erdgas, Biogas oder Methanol umgesetzt werden. Dabei werden (wieder je nach Brennstoffzellen-Typ) verschiedene Anforderungen an die Reinheit des verwendeten Brennstoffs gestellt. So ist z. B. die PEMFC sehr viel empfindlicher gegenüber Verunreinigungen als z. B. die MCFC oder SOFC. Beim Betrieb mit reinem Wasserstoff werden die besten Wirkungsgrade erzielt. Zur Verwendung anderer Brennstoffe (Propan, Butan, Benzin, ...) in Brennstoffzellen sind Reformer notwendig, die den jeweiligen Brennstoff in ein wasserstoffreiches Gasgemisch umwandeln.

Trotz allem: Wasserstoff und Brennstoffzelle werden meistens in einem Atemzug genannt und scheinen ein unzertrennliches Paar zu bilden.

2.4 Welche Perspektiven haben Brennstoffzellen?

Die Belastung der Atmosphäre durch Verbrennung fossiler Brennstoffe steigt. Und egal wie viel Erdöl-/Erdgaslagerstätten noch nicht entdeckt sind, irgendwann werden auch diese Lagerstätten leer sein. Wir können dann 200 Millionen Jahre warten oder uns jetzt schon nach Alternativen umsehen. Die Brennstoffzelle ist (neben vielen anderen) eine solche Alternative und sollte deshalb als solche wahrgenommen werden.

2.5 Welche Einsatzmöglichkeiten gibt es für die Brennstoffzelle?

Brennstoffzellen können grundsätzlich überall dort eingesetzt werden, wo elektrische Energie benötigt wird. Im Allgemeinen unterschiedet man dabei zwischen den folgenden drei Gruppen:

Neben diesen drei großen Bereichen gibt es viele weitere ganz spezielle Nischenmärkte, die sich für die Brennstoffzelle öffnen oder erst durch deren Anwendung geschaffen werden.

2.6 Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle

Nachteile der Brennstoffzelle sind:

Vorteile der Brennstoffzelle sind:

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letzte Änderung: 24. Juli 2020, Dr. Alexander Kabza