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10.07.2014

06:00 Uhr

B wie Brennstoffzelle

Energiequelle mit Entwicklungsbedarf

VonFlorian Hückelheim

Sie sind lautlos, effizient und umweltfreundlich: Brennstoffzellen. Seit ihrer Entdeckung hat die Technik viele Evolutionsstadien durchlaufen. Mittlerweile ist sie auch in einigen Kellern angekommen.

Kleine Brennstoffzelleneinheit von eZelleron: Selbst bei mobilen Kleingeräten kann die Technik eingesetzt werden. dpa

Kleine Brennstoffzelleneinheit von eZelleron: Selbst bei mobilen Kleingeräten kann die Technik eingesetzt werden.

Obwohl vielen beim Stichwort „Brennstoffzelle“ wohl die ersten Gehversuche der Automobilindustrie in den späten 1990er Jahren in den Kopf kommen, ist die Technik bedeutend älter. Die grundlegenden Entdeckungen machten der walisische Naturwissenschaftler William Grove und der deutsche Physiker Christian Friedrich Schönbein im Jahr 1838.

Das elektrochemische Prinzip hat sich seither nicht verändert: Elektronen beziehungsweise Ionen bewegen sich zwischen zwei unterschiedlich geladenen Elektroden hin und her. Auf ihrem Weg von der positiv geladenen Anode zur negativen Kathode passieren sie ein Elektrolyt in Form einer Membran. Während dieses Vorgangs entsteht Elektrizität. Wird eine Brennstoffzelle etwa mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben, entsteht neben der Elektrizität aufgrund der chemischen Reaktion auch noch Wärme und Wasser.

Je nach verwendeten Chemikalien entstehen so unterschiedliche Temperaturen und Wirkungsgrade, mit denen die Reaktion abläuft. Christian Friedrich Schönbein bemerkte die entstehende Elektrizität, als er zwei Platindrähte in Salzsäure tauchte und sie mit Sauer- bzw. Wasserstoff in Kontakt brachte.

Das Wichtigste über Wasserstoff und Brennstoffzelle

Wasserstoff und Brennstoffzelle

Wasserstoff ist im Gegensatz zum Öl kein begrenzter Rohstoff. Es ist das am häufigsten vorkommende chemische Element. Größter Erzeuger ist die chemische Industrie, die Wasserstoff als Neben- oder Koppelprodukt herstellt. Allein damit könnten in Deutschland nach Angaben des Technologiekonzerns Linde 750.000 Fahrzeuge betrieben werden.

Das Prinzip

Das Prinzip ist einfach, die technische Umsetzung aber anspruchsvoll: Bei der energieaufwendigen Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Wasserstoff ist ein flüchtiges und reaktionsfreudiges Gas, das nur unter hohem Druck oder extrem gekühlt gelagert werden kann.

Wirkungsweise

In einer Brennstoffzelle erzeugen Wasserstoff und Sauerstoff an einer Membran in einer sogenannten kalten Verbrennung Elektrizität. Dabei entsteht auch Wärme. Das Abgas ist Wasserdampf. In einem Auto kann mit einer Brennstoffzelle ein Elektromotor angetrieben werden.

Umstrittene Erzeugung

Umstritten ist aber die Erzeugung des Wasserstoffs. Bislang wird der Energieträger zu 90 Prozent aus dem fossilen Rohstoff Erdgas hergestellt. Während aus dem Auspuff eines Brennstoffzellenautos nur Wasserdampf entweicht, wird bei der Herstellung des Wasserstoffs das klimaschädliche Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) freigesetzt. Wird Wasserstoff aber mit Hilfe von Strom aus Windenergie oder Photovoltaik gewonnen, ist die Klimabilanz deutlich besser.

Reichweite

Die Reichweite von Autos mit Brennstoffzelle ist deutlich größer als die der batteriegetriebenen Fahrzeuge. Ein Beispiel: Eine Mercedes-Benz B-Klasse mit Brennstoffzelle hat nach Unternehmensangaben eine Reichweite von 385 Kilometern, der Elektro-Smart mit Batterie kann bis zu 135 Kilometer zurücklegen.

Mehr als 175 Jahre später haben sich unterschiedliche Arbeitstemperaturen für verschiedene Anwendungsfelder durchgesetzt. Während in Autos sogenannte Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen verbaut werden, die mit reinem Wasserstoff bei rund 80 Grad Celsius arbeiten (und immer noch Platinbauteile beinhalten), beginnt bei Festoxid-Brennstoffzellen die elektrochemische Reaktion erst zwischen 450 und 1000 Grad Celsius. Die hohe Temperatur erlaubt es, nicht allein reinen Wasserstoff, sondern auch Kohlenwasserstoffe, wie sie zum Beispiel in Benzin, Erdgas oder Heizöl vorkommen, einzusetzen. Bei Anwendungen, die im Dauerbetrieb stattfinden – wie zum Beispiel das Heizen eines Hauses – und die ohne Bauteile aus Edelmetallen auskommen sollen, ist diese Bauart sehr gefragt.

Ihre Arbeitstemperatur disqualifiziert sie jedoch für mobile Anwendungen. Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen sind gefragt. Besonders effizient wären diese, wenn sie flüssigen Wasserstoff direkt verbrennen würden. Der Haken: Damit Wasserstoff seinen gasförmigen Zustand zugunsten eines flüssigen aufgibt, sind mehr als minus 250 Grad Celsius nötig – ein Kühlaufwand, den kein herkömmlicher Pkw-Tank leisten kann. Deshalb fahren aktuelle Brennstoffzellen-Autos mit gasförmigem Wasserstoff, der mit einem Druck von bis zu 700 bar in den Tank gepresst wird. Und obwohl Hersteller wie Toyota, Mazda, Mercedes oder Ford immer leistungsfähigere Modelle entwickeln, kommen einer Umfrage des Instituts für Marktforschung zufolge nur für 15 Prozent der deutschen Autofahrer Neuwagen mit Wasserstoffmotor infrage.

Das löchrige Wasserstoff-Tankstellennetz, das in den kommenden Jahren auch mit Unterstützung des Bundes schrittweise ausgebaut werden soll, hält die meisten Kunden von einem Kauf ab. Ganz zu schweigen vom Kaufpreis eines solchen Autos. Die Kosten für die Produktion der Brennstoffzelleneinheit schätzt eine Studie der Unternehmensberatung Roland Berger derzeit auf circa 45.000 Euro. Rund 500 Euro beträgt demnach allein der Gegenwert der Platinbauteile innerhalb der Konstruktion. Mit entsprechendem Entwicklungsaufwand könnten die Kosten pro Einheit bis 2025 auf 9000 Euro sinken, rechnet die Studie vor.

Noch in diesem Jahr soll das erste Wasserstoff-Pedelec zu haben sein. Das in Kleinserie gebaute Zweirad soll laut Hersteller mit seinem kleinen Wasserstofftank genügend Strom für 100 Kilometer motorunterstütztes Fahren liefern. „Getankt“ wird per austauschbarer Wasserstoffkartusche beim äußerst gut sortierten Fahrradhändler. Der Preis für umweltbewusstes Radeln: 5000 Euro.

Deutlich kostengünstiger sind kleine Brennstoffzellenkraftwerke für die Hosentasche. Geräte wie der Generator E-Zell 1 der Dresdner Firma Ezelleron oder das Minikraftwerk Upp von Intelligent Energy erzeugen mit einer Brennstoffzelle genügend Strom, um ein Smartphone oder einen Tablet-PC aufzuladen.

Kommentare (2)

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Herr Uwe Hans

10.07.2014, 08:54 Uhr

Umständlich und nur Verdummungspropaganda.....
In Manila gibt es einen cleveren Chinesen der sein Auto mit Wasser betankt wobei durch eine recht simple Einrichtung Wasserstoff produziert wird.

Herr Holger Narrog

10.07.2014, 19:24 Uhr

Bislang konnte die Brennstoffzelle bedauerlicherweise nur wenige Anwendungen für sich erschliessen.

Wasserstoff wird zwar von vielen Professoren als Energieträger der Zukunft verehrt, in der Praxis ist Wasserstoff jedoch nur schlecht zu handhaben und wenig Aussichten auf eine Zukunft als Energieträger.

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