Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen Strom durch eine chemische Reaktion. Jede Brennstoffzelle hat zwei Elektroden: eine negative Anode und eine positive Kathode. Die Reaktion zur Erzeugung der Elektrizität findet an diesen Elektroden statt, wobei elektrisch geladene Teilchen in einem Elektrolyten zwischen den Elektroden bewegen und ein Katalysator die Reaktionen beschleunigt.

Wasserstoff dient in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle als Grundbrennstoff, aber die Zelle benötigt auch Sauerstoff, um zu funktionieren. Einer der größten Vorteile dieser Brennstoffzellen ist, dass sie Elektrizität mit sehr wenig Umweltverschmutzung erzeugen, da der Wasserstoff und der Sauerstoff, die zur Erzeugung der Elektrizität verwendet werden, zusammen Wasser als Nebenprodukt produzieren. Zellen, die reinen Wasserstoff als Brennstoff verwenden, sind völlig CO₂-neutral.

Andere Arten von Brennstoffzellensystemen sind solche, die Kohlenwasserstoff-Brennstoffe wie Erdgas, Biogas oder Methanol verwenden. Da Brennstoffzellen eine elektrochemische Reaktion anstelle einer Verbrennung nutzen, können sie einen höheren Wirkungsgrad als herkömmlichen Energieerzeugungsmethoden erreichen. Der Wirkungsgrad lässt sich mit Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die die Abwärme der Zelle zum Heizen oder Kühlen nutzen, noch weiter verbessern.

Der Prozess, mit dem eine Brennstoffzelle arbeitet, lässt sich wie folgt zusammenfassen:

1. An der Anode treten Wasserstoffatome ein, während an der Kathode Sauerstoff zugeführt wird
2. Die Wasserstoffatome werden an der Anode in Protonen und Elektronen getrennt
3. Die nun positiv geladenen Protonen wandern durch die Membran (oder den Elektrolyten) zur Kathode, während die negativ geladenen Elektronen einen anderen Weg nehmen, indem sie durch einen Stromkreis gezwungen werden, Strom zu erzeugen
4. Nach dem Durchlaufen des Stromkreises bzw. der Membran treffen sich die Elektronen und Protonen an der Kathode, wo sie sich mit Sauerstoff verbinden und Wärme und Wasser als Nebenprodukte erzeugen.

Einzelne Brennstoffzellen erzeugen nur eine kleine Menge an elektrischer Energie, daher werden sie in Stapeln angeordnet, um genug Strom für den vorgesehenen Zweck zu erzeugen, sei es für den Betrieb eines kleinen digitalen Geräts oder eines Kraftwerks.

Brennstoffzellen funktionieren wie Batterien, aber im Gegensatz zu diesen gehen sie nicht zur Neige und müssen nicht wieder aufgeladen werden, sondern können weiterhin Strom erzeugen, solange der Brennstoff (in diesem Fall Wasserstoff) zugeführt wird.

Da sie aus einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytmembran bestehen, gibt es keine beweglichen Teile in Brennstoffzellen, was sie im Betrieb leise und sehr zuverlässig macht.

Vor- und Nachteile

Es gibt eine Reihe von Vor- und Nachteilen von Wasserstoff-Brennstoffzellen. Die Vorteile sind:

• Langlebigkeit
• Energiesicherheit
• Brennstoff-Flexibilität
• Hohe Wirkungsgrade
• Niedrige bzw. keine Emissionen
• Leiser Betrieb
• Verlässlichkeit
• Skalierbarkeit

Zu den Herausforderungen, die mit Brennstoffzellen verbunden sind, gehören:

1. Kosten

Die Kosten von Brennstoffzellen können angesichts der Verwendung von Platin als einem der wichtigsten Materialien hoch sein. Es wird daran gearbeitet, Ansätze für Katalysatoren ohne Platin zu finden.

2. Wasserstoffextraktion

Die Gewinnung von Wasserstoff für den Einsatz in Brennstoffzellen kann sehr energieaufwändig sein, was die umweltfreundlichen Vorteile der Brennstoffzellennutzung untergräbt

3. Infrastruktur

Es muss eine Infrastruktur geschaffen werden, die den wachsenden Einsatz von Brennstoffzellen unterstützt, einschließlich der Nachrüstung von Fahrzeugen

4. Sicherheit

Die entflammbare Natur des Wasserstoffs stellt offensichtliche Sicherheitsbedenken für eine breite Anwendung dar

Erfahren Sie auf Deutsch mehr über die Vor- und Nachteile

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Wofür werden Wasserstoff-Brennstoffzellen eingesetzt?

Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten, von der Energieversorgung von Häusern und Unternehmen bis hin zum Antrieb von Fahrzeugen wie Autos, Bussen und Zügen und mehr. Hier ist eine Auswahl von Brennstoffzellenanwendungen:

1. Stromerzeugung

Brennstoffzellen dienen als Stromquelle für eine Vielzahl von kommerziellen, industriellen und privaten Anwendungen. Diese reichen von Wohnhäusern bis hin zu Raumfahrzeugen und Forschungsstationen. Brennstoffzellen sind besonders nützlich für abgelegene Standorte, da sie keine beweglichen Teile haben, was bedeutet, dass sie sehr zuverlässig sind und es unwahrscheinlich ist, dass sie ausfallen. Unter idealen Bedingungen erreichen sie eine Zuverlässigkeit von bis zu 99,9999 %, was weniger als einer Minute Ausfallzeit alle sechs Jahre entspricht.

2. Kraft-Wärme-Kopplung

Brennstoffzellen können durch Kraft-Wärme-Kopplung noch effizienter gemacht werden. Hier werden Brennstoffzellensysteme zur Stromerzeugung eingesetzt, während die entstehende Abwärme zur Beheizung von Gebäuden oder zum Betrieb von Kühlsystemen genutzt wird. Kraft-Wärme-Kopplungssysteme können einen Wirkungsgrad von 85% erreichen (davon 40-60% elektrisch). Diese Systeme können jedoch kostspielig sein und haben eine relativ kurze Lebensdauer, außerdem benötigen sie einen Warmwasserspeicher.

3. Verkehr

Brennstoffzellen können für eine Vielzahl von Transportanwendungen eingesetzt werden, vom Auto über Busse, Schiffe, Züge und Flugzeuge. Auch in Motorrädern, Fahrrädern und Motorrollern werden Brennstoffzellen eingesetzt.

Bis Ende 2019 wurden 18.000 Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicles, FCEVs) verleast oder verkauft. Diese Autos haben eine durchschnittliche Reichweite zwischen 500 und 600 km zwischen den Tankvorgängen, während das Betanken weniger als fünf Minuten dauert, was diese Technologie wettbewerbsfähig gegenüber batteriebetriebenen Elektroautos macht, die viel länger zum Aufladen brauchen. Darüber hinaus verbrauchen Brennstoffzellen, die mit Wasserstoffgas betrieben werden, etwa 40 % weniger Energie und stoßen 45 % weniger Treibhausgase aus als Verbrennungsmotoren. Um jedoch eine wirklich brauchbare Option zu sein, müssen viele der Herausforderungen rund um die Speicherung, den Transport und die Gewinnung von Wasserstoff gelöst werden.

Trotz der Herausforderungen im Zusammenhang mit Brennstoffzellenautos erweisen sich Brennstoffzellenbusse bereits als effektiv und auch Gabelstapler sind ein wichtiger Treiber für die Nachfrage nach Wasserstoff für Brennstoffzellen. Gabelstapler sind von besonderem Interesse, da sie oft in geschlossenen Räumen arbeiten müssen, wo die Emissionen kontrolliert werden müssen. Das bedeutet, dass oft elektrische Gabelstapler eingesetzt werden, aber Brennstoffzellen bieten Vorteile gegenüber Batteriebetrieb, einschließlich schnellerer Betankung und fehlender Degradation bei niedrigen Betriebstemperaturen, wie z.B. in Kühlhäusern.

Brennstoffzellen werden auch für bemannte Luftfahrzeuge eingesetzt, wobei oft eine Kombination von Technologien verwendet wird, wie z. B. eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle mit einem Batterie-Hybrid als Back-up während der Testphase. Brennstoffzellen werden in größerem Umfang in unbemannten Flugzeugen sowie zur Bereitstellung von Hilfsenergie in Flugzeugen eingesetzt und ersetzen fossile Brennstoffe für Anwendungen wie das Anlassen der Motoren und die Versorgung der Bordelektrik.

Die deutsche Marine und die italienische Marine haben Brennstoffzellen verwendet, um U-Booten zu ermöglichen, wochenlang unter Wasser zu bleiben und gleichzeitig den leisen Betrieb zu verbessern. Außerdem wurden Brennstoffzellen auch für Touristenboote auf den Grachten von Amsterdam eingesetzt.

4. Tragbare Brennstoffzellensysteme

Tragbare Brennstoffzellensysteme sind so klassifiziert, dass sie weniger als 10 kg wiegen und weniger als 5 kW Leistung erzeugen. Diese Zellentypen haben einen breiten Anwendungsbereich für die Stromversorgung kleiner Geräte von 1-50 W und von 1-5 kW für die Stromerzeugung an abgelegenen Standorten.

Die kleineren Mikrobrennstoffzellen zielen darauf ab, Märkte wie Smartphones und Laptops zu versorgen, wobei sie im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien Vorteile wie Energiedichte und Gewichtsreduktion bieten. Die Marktdurchdringung würde einige weitere Entwicklungen in der Brennstoffzellentechnologie erfordern, um die Kosten zu senken, aber das Versprechen längerer Nutzungszeiten zwischen den Ladevorgängen ist verlockend.

Größere tragbare Brennstoffzellensysteme sind vielversprechend für den Freizeitbereich, das Militär und geografisch abgelegene industrielle Anwendungen wie Wetterstationen. Der Vorteil dieser größeren, aber immer noch tragbaren Zellstapel ist die Menge an Energie, die pro Gewicht im Vergleich zu Batterien erzeugt werden kann.

5. Andere Anwendungen

Die oben aufgeführten Anwendungen sind nur einige Beispiele für mögliche Einsatzgebiete von Brennstoffzellen. Weitere Anwendungen sind die Stromversorgung von Basisstationen und Zellstandorten, verteilte Stromerzeugung, Notstromsysteme als Backup für den Fall, dass andere Systeme ausfallen, Telekommunikation, Grundlastkraftwerke, Solar-Wasserstoff-Brennstoffzellen-Wassererwärmung, tragbare Ladestationen für kleine elektronische Geräte, kleine Heizgeräte, Lebensmittelkonservierung für Schiffscontainer (durch das Absaugen des Sauerstoffs bei der Stromerzeugung) und für elektrochemische Sensoren.

Wer hat die Wasserstoff-Brennstoffzelle erfunden?

Die ersten Brennstoffzellen wurden 1838 von Sir William Grove erfunden, doch es dauerte über ein Jahrhundert, bis Brennstoffzellen erstmals kommerziell genutzt wurden, nach der Erfindung der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle durch Francis Thomas Bacon im Jahr 1932.

Alkalische Brennstoffzellen, die nach ihrem Erfinder auch „Bacon-Brennstoffzelle“ genannt werden, sind seit Mitte der 1960er Jahre bei der NASA im Einsatz, wo sie zur Energieversorgung von Satelliten und Raumkapseln verwendet werden.

Wie lange halten Brennstoffzellen?

Die genaue Lebensdauer einer Brennstoffzelle hängt davon ab, wofür sie verwendet wird, da sie sich ähnlich wie eine Batterie je nach Anwendung unterschiedlich schnell entlädt. Ein Beispiel: Wasserstoff-Brennstoffzellenautos können, wie bereits oben erwähnt, heute im Durchschnitt zwischen 500 und 600 km fahren, bevor sie aufgetankt werden müssen.

Die Brennstoffzellen-Stapel in Autos sind für die Lebensdauer des Fahrzeugs ausgelegt, die etwa 250.000 bis 300.000 km beträgt. Nach Ablauf ihrer Lebensdauer können die Brennstoffzellen demontiert und die Materialien recycelt werden.

Sind Wasserstoff-Brennstoffzellen eine erneuerbare Energiequelle?

Der Reichtum an Wasserstoff im Universum bedeutet, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen eine erneuerbare Energiequelle sind. Sie sind auch eine saubere Methode der Energieerzeugung, obwohl es immer noch einige Bedenken über die Verwendung von fossilen Brennstoffen für die Wasserstoffgewinnung sowie den potenziellen CO₂-Fußabdruck gibt, der zum Beispiel mit dem Wasserstofftransport verbunden ist.

Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie hat das Potenzial, eine vollständig grüne und erneuerbare Energiequelle zu sein, wobei als einzige Nebenprodukte Abwärme (die anderweitig genutzt werden kann) und Wasser anfallen.

Außerdem laufen Brennstoffzellen nicht aus oder müssen nicht wie Batterien aufgeladen werden, solange es eine konstante Quelle von Brennstoff und Sauerstoff gibt.

Sind Brennstoffzellen gefährlich?

Wasserstoff hat den höchsten Entflammbarkeitsbereich und den niedrigsten Zündenergiepunkt aller Brennstoffe, was zu offensichtlichen Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Wasserstoff-Brennstoffzellen führt. Trotzdem hat die National Fire Protection Association der Vereinigten Staaten festgestellt, dass wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen- und batteriebetriebene Elektrofahrzeuge nicht gefährlicher sind als Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren.

Ein Grund dafür ist die Geschwindigkeit, mit der sich Wasserstoff in die Luft verflüchtigt. Wasserstoff diffundiert mit einer Geschwindigkeit von 32 km/h direkt in den Raum. Solange er also nicht lange genug in einem Behälter oder einer Struktur eingeschlossen ist, um sich in großen Mengen anzusammeln, sollte er nicht allzu gefährlich sein. 

Es wurden auch Tests mit Wasserstofftanks in Fahrzeugen durchgeführt, wobei eine Kollision und ein Schuss aus nächster Nähe simuliert wurden. Das Militär hat sogar eine Panzerfaust an die Seite eines Wasserstofftanks geschnallt, um einen direkten Treffer zu simulieren und auch Schrapnellschäden zu simulieren. In allen Fällen wurde festgestellt, dass Wasserstoffkraftstoff nicht gefährlicher ist als flüssige Kraftstoffe und in den meisten Fällen sogar weniger gefährlich.

Tatsächlich könnte man argumentieren, dass Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge sicherer sind als batterieelektrische Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles, BEVs). Die Energie in einem BEV entweicht nicht in die Atmosphäre wie bei Wasserstoff, was bedeutet, dass die Gefahr besteht, dass benachbarte Zellen Feuer fangen oder zu einem späteren Zeitpunkt explodieren. Außerdem ist es schwierig, einen BEV-Batteriebrand zu löschen, da giftige Dämpfe entstehen. 

Wasserstoff-Brennstoffzellen werden seit über einem Jahrzehnt ohne größere Zwischenfälle für Gabelstapler eingesetzt, und Tausende von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugen sind bereits auf unseren Straßen unterwegs.

Bei der Verwendung im Freien gilt Wasserstoff als sicherer als andere Kraftstoffarten, aber er kann immer noch gefährlich sein, wenn er an einem Ort gelagert oder aufbewahrt wird, an dem er nicht entweichen kann. Dennoch halten Experten Wasserstoff nicht für gefährlicher als andere Kraftstoffe; man muss nur lernen, wie man ihn sicher handhabt.

Sind Wasserstoff-Brennstoffzellen-Autos die Transportmittel der Zukunft?

Es gibt viele Hersteller, die sich mit der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie beschäftigt haben, und einige haben wasserstoffbetriebene Autos in kleinen Stückzahlen hergestellt, aber könnten sie unseren zukünftigen Transportbedarf decken?

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element auf unserem Planeten und wird schon seit Jahren zum Antrieb von Motoren verwendet. Die Fähigkeit, viel Energie in einem kleinen Gerät erzeugen zu können, führt dazu, dass wasserstoffbetriebene Autos viel weiter fahren könnten als vollelektrische Fahrzeuge. Hinzu kommen die Vorteile in Bezug auf die Emissionen, was Wasserstoff zum saubersten verfügbaren Kraftstoff macht.

Die Nachfrage nach saubererem Transport ist eindeutig, da die Verkäufe von batteriebetriebenen Elektroautos im Jahr bis November 2020 im Vergleich zu den vorherigen 12 Monaten um 162 % gestiegen sind. Das bedeutet aber auch, dass viele Hersteller eher in Elektrofahrzeuge als in Wasserstoff investieren. Ein weiteres Hindernis für die Akzeptanz ist die fehlende Infrastruktur, da es zu wenige Wasserstofftankstellen gibt, an denen die Fahrer Wasserstoff tanken können, wie es bei Benzin und Diesel der Fall ist.

Trotz dieser Schwierigkeiten gibt es eine Reihe von Gründen, warum Wasserstoff-Brennstoffzellen die Zukunft des Automobils sein könnten; nicht zuletzt die Vorteile für die Umwelt, die Betankungszeiten im Vergleich zur Batterieladung und die Reichhaltigkeit des Kraftstoffs.

Viele Hersteller betrachten Wasserstoff bereits als Ergänzung zum Elektroantrieb, der derzeit über die Lebensdauer eines Fahrzeugs etwa die gleiche Menge an CO₂ produziert (124g/km für EVs und 120g/km für Wasserstoff-Brennstoffzellen). Durch die Verwendung von Biomasse zur Gewinnung von Wasserstoff könnten die Lebenszyklusemissionen von Brennstoffzellenautos jedoch auf etwa 60g/km CO₂ sinken, was deutlich unter den Werten liegt, die mit EVs erreicht werden können. 

Um jedoch wirklich einen Einfluss auf die Zukunft des Automobils zu haben, müssen Investitionen in die Technologie und die unterstützende Infrastruktur getätigt werden, um eine schnell verfügbare Betankung zu ermöglichen. Solange das nicht der Fall ist, werden Wasserstoff-Brennstoffzellen nicht mit Elektroautos oder Benzin- und Dieselfahrzeugen konkurrieren können.

Fazit

Wasserstoff-Brennstoffzellen werden seit vielen Jahrzehnten für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von kleinen elektronischen Geräten bis hin zu Fahrzeugen. Wasserstoff ist die sauberste verfügbare Energie und ist nicht so gefährlich, wie oft behauptet wird.

Wasserstoff-Brennstoffzellen werden bereits in großem Umfang für Fahrzeuge wie z. B. Gabelstapler verwendet, aber es bedarf einer verbesserten Infrastruktur, bevor sie wirklich einen Platz als primäre Methode zur Betankung unseres Transportbedarfs einnehmen können.

Aufgrund der vielen realen Vorteile werden Wasserstoff-Brennstoffzellen voraussichtlich in irgendeiner Form eine Rolle bei der zukünftigen Energieerzeugung spielen.