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Wasserstoff-Brennstoffzellen – Potenziale und Hürden

| Autor/ Redakteur: Mark Patrick / Benjamin Kirchbeck

Auch wenn der Aufbau der zur Speicherung und Bereitstellung des Wasserstoffs benötigten Infrastruktur Schwierigkeiten bereitet, spricht vieles für die Nutzung der Brennstoffzellentechnologie als ökologisch nachhaltigere Energiequelle. Denn klar ist: Alleinige Verbesserungen in der Batteriespeichertechnologie sind nicht der Weisheit letzter Schluss.

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Der Aufbau einer geeigneten Infrastruktur ist kostspielig – insbesondere wegen des Druckerfordernisses. Folglich warten Brennstoffzellen noch auf ihren kommerziellen Durchbruch im Automobilsektor.
Der Aufbau einer geeigneten Infrastruktur ist kostspielig – insbesondere wegen des Druckerfordernisses. Folglich warten Brennstoffzellen noch auf ihren kommerziellen Durchbruch im Automobilsektor.
(Bild: Mouser Electronics)

Die Zukunft der Energie ist grün! Saubere, erneuerbare Energie nimmt in unserem Leben einen immer größeren Stellenwert ein. Jahr für Jahr wird in diesem Bereich ein hoher technischer Aufwand betrieben, die Forschungsinvestitionen sind enorm. Die meisten Hersteller haben längst Elektroautos oder Hybridmodelle im Angebot. Doch auch wenn die dafür benötigte Elektrizität verstärkt aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne oder Wind gewonnen wird, erfolgt ein Großteil der Produktion weiterhin mit fossilen Brennstoffen.

Doch der Automobilindustrie bietet sich eine weitere Perspektive: Wasserstoff-Brennstoffzellen. Diese besitzen einige Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren und auch gegenüber batteriebetriebenen Elektroautos. Brennstoffzellen wandeln Energiepotenzial, das in chemischen Verbindungen enthalten ist, direkt in elektrische Energie um. Hierdurch erreichen die Zellen einen besonders hohen Wirkungsgrad. Als Nebenprodukt fallen bei diesem Vorgang Wasser und eine geringe Menge an Wärme, nicht jedoch eigentliche Schadstoffe an. Auch die Erzeugung von Wasserstoff ist – zumindest vergleichsweise – umweltfreundlich und setzt sehr wenig bis gar keine Schadstoffe frei.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Motor verfügen Brennstoffzellen über keine beweglichen Teile. Dies hat eine größere Zuverlässigkeit zur Folge und bedeutet, dass sich die Wartung wesentlich unkomplizierter gestaltet. Nicht zuletzt können die Fahrzeuge ähnlich große Strecken zurücklegen wie solche mit Verbrennungsmotor, während Elektroautos durch die Speicherkapazität ihrer Batterie eingeschränkt sind.

Die Elemente einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Auch wenn es das am häufigsten vorkommende Element auf unserem Planeten ist, ist Wasserstoff niemals allein anzutreffen. Stattdessen findet es sich immer in Kombination mit anderen Elementen – z. B. mit Sauerstoff in Wasser (H2O) oder mit organischen Verbundstoffen in Kohlenwasserstoffen (z. B. Erdgas, Methan, Propan usw.). Ein Großteil des Wasserstoffs wird aktuell aus diesen Kohlenwasserstoffen mittels Wärmeanwendung gewonnen. Dieser Prozess nennt sich „Reforming“. Alternativ kann elektrischer Strom verwendet werden, um Wasser in seine Einzelbestandteile aufzuspalten (was als Elektrolyse bezeichnet wird).

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle besteht aus den folgenden Elementen:

  • Eine Anode, die den Wasserstoff aufnimmt
  • Ein Katalysator, der den Wasserstoff in Ionen und Elektronen aufteilt
  • Eine Protonen-Austausch-Membran (PEM), die für Protonen durchlässig ist, während Elektronen blockiert werden
  • Eine Kathode, bei der Sauerstoff durch den Katalysator getrieben wird und zwei negative Atome bildet, die die Wasserstoffionen durch die Membran anziehen und sich letztendlich zu Wasser zusammensetzen

Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität mittels Wasserstoff und Sauerstoff.
Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität mittels Wasserstoff und Sauerstoff.
(Bild: Mouser Electronics)

So weit, so gut, aber zum Befüllen einer Wasserstoff-Brennstoffzelle muss Druckwasserstoff eingepumpt werden. Dies impliziert einige Probleme im Hinblick auf den Einsatz in Autos. Der Aufbau einer geeigneten Infrastruktur ist kostspielig – insbesondere wegen des Druckerfordernisses. Folglich warten Brennstoffzellen noch auf ihren kommerziellen Durchbruch und haben im Automobilsektor noch keine großflächige Verbreitung gefunden. Dennoch bleiben Firmen wie Toyota der Technologie verpflichtet und investieren weiterhin stark in die laufende Forschung.

Einsatz zu Wasser und auf der Schiene

Inzwischen sind neue Einsatzgebiete entstanden, in denen Wasserstoff-Brennstoffzellen vermehrt Verbreitung finden könnten. Aktuell werden 50 Prozent aller Züge über elektrische Oberleitungen mit Energie versorgt, deren Installation aufwändig und kostenintensiv ist. Zunehmend wird inzwischen eine Elektrifizierung nur noch für die am meisten frequentierten Zugstrecken als sinnvoll erachtet. Die meisten anderen Züge werden mit Diesel betrieben. Züge, die auf Wasserstoff-Brennstoffzell-Systeme setzen, könnten sich hier als zukunftsfähige Alternative erweisen. Während im Automobilkontext hierfür der Aufbau einer sehr kostspieligen Infrastruktur erforderlich wäre, ist dies beim Schienenverkehr tatsächlich ein Weg, um die Infrastrukturinvestitionen gering zu halten.

Intelligentes Energiemanagement war ebenfalls ein zentraler Aspekt eines Pilotprojekts, das 2013 im Hafen von Bristol realisiert wurde. Dort wurde sechs Monate lang eine kleine (11 m) Fähre auf Wasserstoffbasis betrieben. Laut dem Fährenbetreiber war eine Betankung nur alle vier Tage erforderlich, die Betriebskosten somit äußerst gering. Unglücklicherweise führte die unzureichende Befüllungsinfrastruktur in England das Ende der Fähre herbei.

In Frankreich wiederum ist für 2020 die Inbetriebnahme einer weitaus größeren Fähre (35 m) geplant. Verkehren soll sie zwischen den Inseln Ouessant und Molène (beide liegen am westlichsten Zipfel der Bretagne) sowie dem Festland und wird überschüssige Energie aus erneuerbaren Energieträgern (wie beispielsweise Windturbinen) nutzen, die in Wasserstoff umgewandelt wurde.

Ein weiteres Projekt für eine Hochgeschwindigkeits-Passagierfähre und Tankstation wird aktuell in der Bucht von San Francisco auf seine Machbarkeit geprüft; gleichzeitig zeigen Studien an der US-Westküste, dass die Energiebereitstellung für vor Anker liegende Schiffe (Cold Ironing) mit einer auf einem Schiff montierten PEM-Brennstoffzelle ebenfalls vielversprechend ist.

Fazit

Auch wenn der Aufbau der zur Speicherung und Bereitstellung des Wasserstoffs benötigten Infrastruktur Schwierigkeiten bereitet, spricht vieles für die Nutzung von Brennstoffzellentechnologie als ökologisch nachhaltiger Energiequelle. Klar ist: Alleinige Verbesserungen in der Batteriespeichertechnologie sind nicht zwangsläufig der Weisheit letzter Schluss.

* Mark Patrick ist als Supplier Marketing Manager für Mouser Electronics tätig.

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