Solar-Reports:

Brennstoffzelle und solarer Wasserstoff -
ein Kraftpaket für die Zukunft?

von Rolf Hug
16.10.2000

Erneuerbare Energien stehen derzeit hoch im Kurs. Nicht nur an der Börse werden Sonne, Wind und Wasser hoch geschätzt. Auch Autofahrer, Hausbesitzer und Mieter werden bei steigenden Energiepreisen nachdenklich, und sehen sich nach Alternativen um. Eine gute Zeit für Visionen, in deren Mittelpunkt immer häufiger die Brennstoffzelle steht.

Das Prinzip: Strom aus "kalter Verbrennung"

Die Idee ist schon recht alt. Bereits 1839 erfand der Physiker William R. Grove eine Technik, die in den sechziger Jahren dieses Jahrhunderts in der Raumfahrt aufgegriffen wurde, als es galt, Wasser und Energie für die bemannten Raumflüge zu erzeugen: Die Brennstoffzelle.

Funktionsprinzip der Brennstoffzelle

Das Prinzip ist nicht allzu kompliziert:
Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine umgekehrte Elektrolyse. Statt Wasser mit elektrischem Strom in seine chemischen Bestandteile (Wasserstoff und Sauerstoff) zu zerlegen, wird Gleichstrom produziert und Wasser in Form vom Dampf gewonnen.




Illustration: Vaillant-Gruppe

In der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff und verbinden sich über eine dünne, durchlässige Trennwand (Membran) zu Wasser. Bei diesem Vorgang wird Energie in Form von Elektrizität frei. Die Brennstoffzellen setzen also die chemische Energie eines Oxidationsprozesses, der so genannten "kalten Verbrennung", direkt in elektrische Energie um. Als "Abfallprodukt" fällt nur Wasserdampf an.

Würde der benötigte Wasserstoff unter Zufuhr von Solarenergie aus Wasser gewonnen, könnte dieser Sekundärenergieträger eine wichtige Alternative für die Energieversorgung der Zukunft werden: Klimaneutral und schadstofffrei. Wasserstoff ist jedoch keine Energiequelle, er ist ein Energieträger oder -speicher. Und die Brennstoffzelle ist kein Perpetuum Mobile, sondern eine Technik, mit deren Hilfe Strom erzeugt werden kann - allerdings mit einem beachtlichen Wirkungsgrad: Die bei der Stromproduktion erzeugte Wärme kann, wie beim Blockheizkraftwerk, zum Heizen genutzt werden.


Die Technik: Brennstoffzellen für Auto und Heizung

Nicht nur Autofahrer und Heizölkäufer hoffen auf eine Alternative zu den immer teureren fossilen Brennstoffen. Auch die großen Energiekonzerne wie Shell oder BP und die Energieversorgungsunternehmen setzen verstärkt auf regenerative Energien und peilen dezentrale Lösungen an.

Die führenden Autohersteller, allen voran DaimlerChrysler, und der Heizungsbauer Vaillant wollen in den nächsten Jahren serienreife Produkte mit Brennstoffzellen liefern. BMW will eine 7er Limousine mit einem Ottomotor ausrüsten, der Wasserstoff statt Benzin verbrennt. Im Volkswagen-Konzern, bei Ford, General Motors, Honda und Toyota arbeiten die Forscher an Konzepten, die vorsehen, dass der Wasserstoff erst während der Fahrt produziert wird. DaimlerChrysler will in den kommenden 3 Jahren sowohl serienreife Fahrzeuge der A-Klasse als auch "Citaro"-Stadtbusse mit der neuen Technik anbieten. Das Daimler-Projekthaus Brennstoffzelle kooperiert mit dem kanadischen Hersteller Ballard Power Systems. Der weltweite Marktführer bei der Produktion von Protonen leitenden Membranen (PEM), entwickelt und liefert Brennstoffzellen für Verkehr, Stromversorgung, tragbare Geräte und weitere Anwendungen.

Brennstoffzelle: Kernmembran

Kern der Brennstoffzelle ist die Protonen leitende Membran.
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Bild: DaimlerChrysler

NECAR 4: Mobiles Kraftwerk vor der Haustüre

Schnell, sauber und leise Auto fahren - ohne schlechtes Gewissen? Der Traum des umweltbewußten Fahrers scheint in Erfüllung zu gehen. Mit dem New Electric CAR 4 (NECAR IV) präsentierte DaimerChrysler in den USA bereits im Frühjahr 1999 ein Brennstoffzellenfahrzeug mit großer Reichweite und guten Fahrleistungen auf der Basis eines A-Klasse-Mercedes. Die Brennstoffzelle, der Tank und bis zu 5 Personen mit Gepäck finden erstmals in einem Fahrzeug der Kompaktklasse Platz. Noch vor wenigen Jahren beanspruchte die mobile Brennstoffzellentechnik einen großen Transporter.

Brennstoffzellenauto "NECAR 4"
Bild: DaimlerChrysler AG

NECAR 4,
das erste alltagstaugliche Brennstoffzellen-Fahrzeug.

A-Klasse mit Brennstoffzellen-Antrieb
Bild: DaimlerChrysler AG

Der Sandwichboden der A-Klasse ist die Plattform für den Einbau des Brennstoffzellen-Antriebs


Betrieben wird der NECAR 4 mit Flüssigwasserstoff, der sich in einem Kältetank im hinteren Fahrzeugbereich befindet.
Der Kraftstoff wird von einer Protonen leitenden Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) verarbeitet. In ihr zerlegt eine platinbeschichtete Membran den Wasserstoff in Protonen und Elektronen. In Verbindung mit Luftsauerstoff entsteht Wasser. Durch den Überschuss beziehungsweise Mangel an Elektronen und Protonen entstehen Plus- und Minuspole, zwischen die ein Elektromotor geschaltet wird, der das Fahrzeug antreibt. Eine Tankfüllung soll bis zu 450 Kilometer reichen.

Projektleiter Prof. Dr. Ferdinand Panik sieht im Ausbau der Technik auch eine wirtschaftliche Chance: "Die Brennstoffzellenaktivitäten sind heute längst nicht mehr technologiegetrieben oder durch den Umweltschutz beeinflusst, sondern sie stellen inzwischen einen echten Wettbewerbsfaktor dar", führte Prof. Panik auf einem Pressesymposium in Stuttgart aus. "Wir begreifen die Brennstoffzelle als wirtschaftliche Chance zur Sicherung von High-Tech-Arbeitsplätzen und unternehmerischen Erfolg." Im SPIEGEL entwarf er die Vision eines "Energie-Internets", das aus miteinander verschalteten Brennstoffzellen-Autos besteht. Das "mobile Kraftwerk" könnte vor dem Haus oder in der Garage stehen und rund 75 Kilowatt Energie liefern, von denen im Haushalt nur 3 - 10 Kilowatt genutzt würden. Der Rest wird in das Stromnetz eingespeist.

Brennstoffzellen im Keller: Heizgerät von Vaillant

Schon im Jahr 2002 will die Vaillant-Gruppe, einer der führenden europäischen Hersteller für Heiztechnik, ihr neues Brenstoffzellen-Heizgerät auf den Markt bringen. Das Unternehmen arbeitet bereits seit zwei Jahren an der Integration der Technik in die häuslichen Heizsysteme. Die Heizung von Wohngebäuden soll künftig gleichzeitig Strom und Wärme liefern, Primärenergieverbrauch und Klimagase reduzieren und so einen Beitrag zur Sicherung der Energieversorgung leisten. Vaillant geht einen Schritt über die bekannten Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Nahwärmeversorgung hinaus und bringt die Technik zum Endverbraucher.

Brenstoffzellen-Heizgerät

Bild: Vaillant-Gruppe

In fast jedem Gebäude mit Gasversorgung können mit dem Brennstoffzellen-Heizgerät Strom und Wärme im Koppelprozeß erzeugt werden.
Der reine, CO2-freie Wasserstoff für die verwendete PEM-Brennstoffzelle wird mittels eines so genannten Reformers aus Erdgas gewonnen. Der elektrische Wirkungsgrad des Heizgerätes wird etwa 35-40 % betragen, über die Kraft-Wärme Kopplung wird ein Gesamtwirkungsgrad von über 80% erreicht. Die Abwärme der Brennstoffzelle wird für Heizung und Brauchwassererwärmung genutzt. An besonders kalten Tagen deckt ein integrierter konventioneller Brenner den Restbedarf.

Im Vergleich zu einem herkömmlichen Niedertemperaturkessel und dem Strom aus der Steckdose kann die Vaillant-Heizung auch ökologisch überzeugen. Die Brennstoffzellenheizung nutzt das kohlenstoffarme Erdgas und die Abwärme und reduziert so den CO2-Ausstoß bis zu 50%. Sollen die Klima-Ziele der Europäischen Union erreicht werden, kann die Brennstoffzelle in diesem Bereich eine wichtige Rolle spielen. Wenn bald die Serienproduktion anläuft wird der Wasserstoff noch aus Erdgas gewonnen werden. Solarer Wasserstoff, per Elektrolyse mit Photovoltaik-Strom erzeugt, ist selbst für die Ingenieure von Vaillant noch Zukunftsmusik. Sie klingt aber gut, denn damit stünde jederzeit eine emissionsfreie Energiequelle zu Verfügung.

Brenstoffzelle: Energie- und C02-Bilanz

Grafik: Vaillant-Gruppe

Die Zukunft: Sonne und Wasserstoff in der solaren Weltwirtschaft

Die neue Technik weckt viele Hoffnungen, die erst noch erfüllt werden müssen. Autos und Heizungen sind noch nicht zu haben, die Endpreise für die Produkte zur Zeit nicht kalkulierbar. Was die A-Klasse mit Brennstoffzellenantrieb kosten wird, bleibt genauso offen wie die Frage nach der flächendeckenden Versorgung mit Treibstoff. Dass die Technik sich zum Teil noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, zeigt sich besonders bei den Autos: Hier konkurrieren mehrere Hersteller, und es ist noch nicht ausgemacht, welche Standards sich durchsetzen werden.

Auch wenn die Entwickler technische Risiken wie die Explosionsgefahr im Griff haben, bleiben einige Fragen zu klären. Lagerung, Transport und Verteilung der Ausgangsstoffe müssen auf ihre Umweltverträglichkeit geprüft werden. Methanol zum Beispiel, eine jener chemischen Verbindungen aus denen Wasserstoff gewonnen wird, ist ätzend, hoch giftig und mischt sich leicht mit Wasser. Wird der Wasserstoff gar aus Benzin gewonnen, freut sich die OPEC weiter. Stammt der Strom zur Produktion aus Kohlekraftwerken, wird die Atmosphäre weiter mit C02 belastet.

Zur Zeit können die Herstellungskosten solaren Wasserstoffs nur annähernd beziffert werden: Wird er in PV-Großanlagen (300 MW-Elektrolyse) gewonnen, kostet der Kubikmeter im günstigsten Fall rund 2,90 DM, was einem Kilowattpreis von etwa 85 Pfennigen für den Strom aus Brennstoffzellen entspricht. In industriellen Kleinanlagen (100 kW-Elelktrolyse) produziert würde die Kilowattstunde bis zu 1,70 DM kosten. Erst mit dem Ausbau der Massenfertigung von PV-Modulen und damit verbundenen Preissenkungen wird sich photovoltaisch produzierter Wasserstoff als wirtschaftliche Lösung anbieten. Den Szenarien großtechnischer Nutzung - sie wurden in den 80er Jahren entwickelt - erteilt nicht nur Prof. Panik eine klare Absage. Riesige Solarfarmen in der Sahara halten inzwischen viele für den falschen Weg. Der DaimlerChrysler Projektleiter setzt eher auf Wind- oder Wasserkraft. Letztere produziert nicht nur Strom, sondern per Elektrolyse auch Wasserstoff. Dezentrale Lösungen wie die Vaillant-Heizung passen schon besser zur Solarenergie.

Auf Dezentralisierung setzt Alternativ-Nobelpreisträger Hermann Scheer. Er charakterisiert die globale Energiewirtschaft der Zukunft durch die Ablösung der fossilen Quellen: Klein-, Mini- und Mikrokraftwerke sollen an ihre Stelle treten.

Solarthermie, Photovoltaik und Brennstoffzellen haben eines gemeinsam: Sie eignen sich bestens für den Einsatz direkt beim Verbraucher. Transportkosten und -verluste fallen weg. Solaranlagen zur Selbstversorgung mit Strom und Wärme sind ein erster, heute schon machbarer Schritt. Brennstoffzelle und solarer Wasserstoff dessen konsequente Fortsetzung - und eine wichtige Chance für die Klimapolitik.

Scheer: Solare Weltwirtschaft
Bild: Verlag A. Kunstmann

Hermann Scheer analysiert die "fossile" Ressourcenpolitik und beschreibt den Weg zur solaren Weltwirtschaft, der in eine "ökologische Moderne" führen soll.

Lesen Sie die vollständige Rezension im Solar-Bookstore.

Brennstoffzellen für zuhause:
Experimentierkästen
und brennstoffzellenbetriebene Modelle finden Sie im SolarserverStore.

Wir danken Herrn Prof. Dr. Jürgen Garche, ZSW-Electrochemical Energy Storage and Energy Conversion Division, in Ulm für die freundliche Hilfe bei der Berechung der Kosten der Produktion solaren Wasserstoffs.

Lesen Sie auch den Solar-Report Oktober 2001:
Brennstoffzellen-Forschung und -Entwicklung in der Region Stuttgart: Institute und Unternehmen auf dem Sprung in die Zukunft

TIPP: Einzelexemplare der kostenlosen Broschüre "Stationäre Brennstoffzellen" können bei der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE) bestellt werden. Sie informiert über Grundlagen und Einsatzmöglichkeiten der verschiedenen Brennstoffzellen-Typen und zeigt Potenziale und Perspektiven.

Die Adresse:ASUE, Postfach 2547, 67613 Kaiserslautern,el.: 0631/36090-70. Mail: ASUE@compuserve.com

Knappe und anschauliche Informationen zur Brennstoffzelle mit Literaturhinweisen finden Sie im Solar-Lexikon.

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