Wasserstoff-Brennstoffzellen: Funktionsweise & Arten
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind in vielfältigen Anwendungen verbreitet, um aus Wasserstoff elektrische Energie zu erzeugen. Wenn der Wasserstoff aus einer klimaneutralen Quelle stammt – also aus grünem Wasserstoff -, ermöglichen sie eine emissionsfreie Stromerzeugung. Im Vergleich zu konventionellen Stromerzeugern wie Kraftwerken oder Verbrennungsmotoren wie Benzinfahrzeugen zeichnen sich Wasserstoff-Brennstoffzellen durch einen hohen Wirkungsgrad aus.
Unter bestehenden Wasserstoff-Technologien gilt der Einsatz von Wasserstoff-Brennzellen als vielversprechend für die laufende Energiewende. Im folgenden Artikel schauen wir uns den Aufbau der Brennstoffzelle mit Wasserstoff, ihre Funktionsweise, Einsatzbereiche, Arten sowie Potenziale für die Zukunft an.
Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle nutzt Wasserstoff und Sauerstoff, um sie in Wasser umzuwandeln. Würde man es genau nehmen, müsste sie also Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle heißen. Der hierbei gewonnene Strom wird für den Zielzweck genutzt. Bestenfalls wird der verwendete Wasserstoff aus dem Vorgang der Elektrolyse mit Hilfe erneuerbarer Energien gewonnen (sogenannter grüner Wasserstoff).
Die Brennstoffzelle fungiert als elektrochemischer Energiewandler. Der Vorgang wird auch „kalte Verbrennung“ genannt (obwohl er nicht wirklich kalt ist), da Wasserstoff in Kombination mit Sauerstoff brennbar ist. Er läuft folgendermaßen ab:
- In die Brennstoffzelle wird kontinuierlich Wasserstoff in Form von Gas zugeführt und als Brennstoff verwendet.
- Der Brennstoff trifft auf den Sauerstoff, dem Oxidationsmittel.
- Es entstehen Wasser, Wärme und Strom.
- Der erzeugte Strom kann zur Stromversorgung genutzt werden.
Wasserstoff-Brennstoffzelle – Effizienz und Anwendungsbereiche
Wasserstoff-Brennstoffzellen finden breite Anwendung bei Fahrzeugen und können, richtig eingesetzt, effizient wirken. Einen besonderen Vorteil bieten Brennstoffzellen mit Wasserstoff aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads. Der Wirkungsgrad einer Wasserstoff-Brennstoffzelle nach aktuellem technischem Stand beträgt unter optimalen Bedingungen 60%.
Zum Vergleich: Ein herkömmlicher Benziner (Ottomotor) erreicht einen Wirkungsgrad von 20% bis 30%. Dieselmotoren haben einen Wirkungsgrad von circa 40%. Bei den Verbrennungsprozessen dieser Motoren wird ein hoher Teil der Energie an Wärme abgegeben. Bei Wasserstoff-Brennstoffzellen ist dieser Energieverlust also erheblich geringer, weshalb sie wesentlich effizienter sind.
Der Wirkungsgrad drückt das Verhältnis zwischen der zugeführten Energie und der tatsächlich genutzten Energie aus. Wasserstoff und Sauerstoff sind in diesem Fall die eingegebene Energie, elektrische Energie das Ausgangsprodukt. Mit dem Wirkungsgrad wird also gemessen, wie effizient dieser Prozess ist.
Anwendungsbereiche: Brennstoffzellen mit Wasserstoff finden in folgenden Bereichen Anwendung:
- Mobilität: Neben Brennstoffzellen-Fahrzeugen für die private Nutzung können Wasserstoffbrennstoffzellen auch im Schwerlastverkehr genutzt werden. Beispielsweise bei Lastwagen und Bussen. Auch Schiffe können mit Wasserstoff-Brennstoffzellen angetrieben werden.
- Energiesysteme: Die Gewinnung erneuerbarer Energien ist saisonabhängig. Überschüssige Energie kann in Wasserstoff umgewandelt, gespeichert und bei Bedarf wieder genutzt werden (beispielsweise im Winter). Entweder kann es in bestehende Energieversorgungssysteme integriert werden, um ganze Regionen zu versorgen oder auch stationär (in Gebäuden oder als Notstrom beispielsweise für Krankenhäuser) angewendet werden.
- Wärmeversorgung: Wasserstoff-Brennstoffzellen können in dezentralen Energieanlagen für Wohn- und Gewerbegebäude Einsatz finden. Die neben der elektrischen Energie erzeugte Wärme kann für Heizzwecke und die Bereitstellung von Warmwasser genutzt werden. In Kombination mit Blockheizkraftwerken (BHKW) können Wasserstoff-Brennstoffzellen dazu dienen, Fernwärme für Stadtviertel oder Gemeinden zu erzeugen.
Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle nutzt Wasserstoff oxidierende und Sauerstoff reduzierende Reaktionen, um Strom zu erzeugen. Als Nebenprodukte entstehen dabei Wasser und Wärme. Der Erzeugungsprozess findet durch eine Reihe von chemischen Reaktionen statt, welche als Brennstoffzellenreaktion bekannt ist. Das geschieht folgendermaßen:
- Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden: Einer Anode und einer Kathode. Sie sind durch die Elektrolyt-Membran getrennt.
- An der Anode wird Wasserstoffgas eingeleitet. Der Wasserstoff wird in Protonen und Elektronen gespalten. Dieser Prozess nennt sich Oxidationsreaktion.
- Die Membran ermöglicht einen Ionen-Austausch zwischen Anode und Kathode, lässt aber keine Elektronen hindurch. Diese gelangen in einen externen Stromkreis.
- Protonen, Sauerstoff sowie die Elektronen aus dem externen Gleichstrom werden an die Kathode geleitet. Dort werden sie zu Wasser reduziert, was auch als Reduktionsreaktion bekannt ist.
- Diese beiden Halbzellenreaktionen ergeben in Summe die Brennstoffzellenreaktion. Die während dieser Reaktionen freigesetzte Energie wird zur Stromerzeugung genutzt.
Arten von Wasserstoff-Brennstoffzellen und ihre Verwendung
Wasserstoff-Brennstoffzellen funktionieren in der Regel zuverlässig, sind wartungsarm und klimaneutral, weswegen sie wachsenden Einsatz in verschiedenen Bereichen finden. Aktuell werden sechs Arten von Wasserstoff-Brennstoffzellen verwendet, die sich in der Betriebstemperatur, Leistungen, verwendeten Gasen und Arten der Elektrolyte unterscheiden. Durch diese Vielfalt sind sie an unterschiedliche Anforderungen anpassbar. Zudem zeichnen sich Wasserstoff-Brennstoffzellen durch einen modularen Aufbau aus, weswegen sie hinsichtlich der Größe nach oben hin angepasst werden – vorausgesetzt, sie lassen sich ob der Größe kühlen.
Generell unterscheiden sich die Brennstoffzelltypen in zwei Oberkategorien:
- Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen
- Niedertemperaturbrennstoffzellen
Folgende Arten finden Verwendung:
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
- Anwendung: Raumfahrtanwendungen, Antrieb von U-Booten
Die robuste alkalische Brennstoffzelle arbeitet bei niedrigen Temperaturen und nutzt eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxid als Elektrolyt. Sie machte Schlagzeilen, weil sie für das erste Passagierboot mit Brennstoffzellen-Antrieb verwendet wurde. Im Vergleich mit der PEM-Brennstoffzelle hat sie allerdings das Nachsehen, weil sie keine hohe Leistungsdichte und geringe Lebensdauer aufweist.
Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
- Einsatz: oftmals mobile Anwendung (als Reichweiten-Erweiterung für Elektrofahrzeuge) oder für die netzferne Stromversorgung (etwa für Überwachungssysteme oder Kommunikationseinrichtungen)
Diese Art der Brennstoffzelle verwendet Methanol als Brennstoff, der direkt in der Brennstoffzelle reagiert. Dabei entsteht eine kleine Menge Kohlendioxid. Die Brennstoffzelle ist aufgrund ihrer hohen Speicherdichte portabel und kann unkompliziert mobil eingesetzt werden. Wegen der Verwendung von korrosivem und giftigem Methanol sind hohe Sicherheitsvorschriften zu beachten.
PEM-Brennstoffzelle (PEMFC)
- Anwendung: mobiler Bereich (PKW, Schwerlastverkehr), Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Notstromversorgung, Rechenzentren, Hausenergieversorgung
Die PEM-Brennstoffzelle, auch bekannt als (Protonenaustausch-)Membran-Brennstoffzelle, gilt aufgrund Ihrer Vielseitigkeit als Brennstoffzelle mit dem größten Potenzial. Sie verwendet eine feste Polymer-Elektrolyt-Membran, die Protonen durchlässt. Dadurch bietet sie eine schnelle Inbetriebnahme und hohe Leistungsdynamik. Zudem trumpft sie aufgrund ihrer Kompaktheit auf.
Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)
- Einsatz: Zur Strom- und Wärmeerzeugung in Kraftwerken, für Industrieanlagen, Krankenhäuser, Wohngebiete
Für den Betrieb von Phosphorsäure-Brennstoffzellen wird vorwiegend reformiertes Erdgas verwendet. Sie nutzen phosphorsaure Elektrolyt-Membranen und arbeiten bei Temperaturen von etwa 150 bis 200 Grad Celsius. Zwar zeichnet sich diese Brennstoffzelle durch hohe Effizienz aus, die Lebensdauer ist allerdings durch die sauren Elektrolyten relativ gering.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
- Einsatz: Für Wärme- und Stromerzeugung in großen Kraftwerken
Diese Form der Brennstoffzellen verwenden Schmelzkarbonat als Elektrolytmaterial. Sie kann Wasserstoff, Biogas und Erdgas direkt nutzen, es ist keine Reformierung notwendig. Das ist auf die hohen Temperaturen von etwa 600 bis 700 Grad Celsius zurückzuführen – dadurch wird die Leistung nicht von Kohlenstoffmonoxid beeinträchtigt. Im Vergleich zu anderen Typen benötigt diese Brennstoffzellen eine lange Anfahrphase, also eine gewisse Zeit, bis die Brennstoffzelle nach dem Start den optimalen Betriebszustand erreicht. Daher werden sie oft in Kraftwerken und Heizkraftwerken verwendet, wo ein Grundlastbetrieb herrscht.
Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)
- Einsatz: In stationären Kraftwerken, Heizkraftwerken, bei Industrieprozessen, Heizanlagen
Die Arbeitstemperatur von oxidkeramischen Brennstoffzellen liegt zwischen 500 und 1.000 Grad Celsius. Sie nutzt das Schwermetall Zirconium als Elektrolyt, dessen Salz (Zirconiumdioxid) einen äußerst temperaturstabilen Werkstoff darstellt. Mit der Dotierung von Yttrium wird eine hohe Leitfähigkeit erzielt, was diese Form der Brennstoffzelle besonders effizient macht. Diese Brennstoffzelle weist zudem hohe Lebensdauer auf und kann in Kombination mit Gasturbinen auch in Großanlagen zur Stromerzeugung genutzt werden.
Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb und seine Bedeutung
Die Verwendung von grünem Wasserstoff übernimmt eine Kernfunktion in der Energiewende. Als nahezu unbegrenzter Energieträger kann er aus zahlreichen Rohstoffen gewonnen werden, der Königsweg ist die Gewinnung von grünem Wasserstoff. Wasserstoffbrennstoffzellen bieten die bestmögliche Technologie diese Energie zu nutzen: Sie sind flexibel in Bezug auf Temperatur, Druckverhältnisse und Einsatzort. So können sie mobil eingesetzt werde. Zudem benötigen sie vergleichsweise wenig Wartung.
In der Dekarbonisierung des Verkehrssektors sind Wasserstoff-Brennstoffzellen ein bedeutender Bestandteil. Lange Zeit galten sie im Vergleich zu rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen aufgrund ihrer Potenziale in Reichweite und Betankungszeit als herausragend. Hier konnten Elektroautos in den letzten Jahren deutlich aufholen. Hinsichtlich des Transports schwerer Lasten auf langen Strecken genießen Wasserstoff-Brennstoffzellen als Antrieb nach wie vor deutliche Vorteile. Ein erkennbarer Trend zeigt sich darin, dass im Bereich der Personenkraftwagen vermehrt auf Elektromotoren gesetzt wird, während Wasserstoff weiterhin eine wichtige Rolle bei Lastkraftwagen und anderen größeren Nutzfahrzeugen spielt.
Wasserstoff-Brennstoffzellen – Die Technologie der Zukunft?
Trotz Ihres potenziell großen Beitrags zur Energiewende stehen Wasserstoff-Brennstoffzellen in der breiten Anwendung vor Herausforderungen. Zum Beispiel:
- Die Kosten für Herstellung und Installation fallen im Vergleich mit bisherigen Energiesystemen hoch aus.
- Speicherung und Transport von Wasserstoff ist komplex, da er eine niedrige volumetrische Energiedichte hat und deshalb unter hohem Druck gelagert werden muss.
- Die Lebensdauer der Brennstoffzellen ist begrenzt.
Es braucht fortlaufend neue Impulse, um den Einsatz von Wasserstoff und Wasserstoff-Brennstoffzellen effizienter zu gestalten. Brennstoffzellen sind ein vielversprechendes Element auf dem Weg zur klimaneutralen Mobilität und Energiegewinnung für fast alle Anwendungsbereiche.
Fachkräfte für Wasserstofftechnik werden in Zukunft noch stärker gefragt sein als ohnehin schon. Um die Zukunft mitzugestalten, bietet die FH Technikum Wien das Bachelorstudium „Wasserstofftechnik“ ab 2024/25 an (vorbehaltlich Akkreditierung durch die AQ Austria). In diesem praxisnahen Studium erhalten Studierende Kompetenzen, Wasserstofftechnologien zu nutzen, zu implementieren, zu warten und weiterzuentwickeln. Spezialisierungen durch weitere Vertiefungsmöglichkeiten werden ebenso angeboten.
