Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle ist eine innovative Technologie, die eine nachhaltige Energiequelle darstellt. Sie wandelt die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Dieser revolutionäre Ansatz zur Erzeugung von Strom hat das Potenzial, eine wichtige und klimaschonende Energiequelle zu werden. Brennstoffzellen haben sich in der Luft- und Raumfahrt als Energieerzeuger etabliert.
Definition
Eine Brennstoffzelle ist ein technisches Gerät, das Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoffe elektrochemisch verwendet, um elektrische Spannung zu erzeugen. Die Umwandlung ist umweltfreundlich und ohne schädliche Emissionen. Die Zelle funktioniert auf der Grundlage einer kontrollierten chemischen Reaktion, die in den Elektroden der Zelle stattfindet und durch einen Elektrolyten ermöglicht wird, und ist in ihrer Funktion CO₂-neutral. Wird der eingesetzte Wasserstoff aus erneuerbaren Energien produziert, wird damit Klimaneutralität erreicht.
Es handelt sich um ein Heizsystem, welches das Funktionsprinzip der Kraft-Wärme-Kopplung nutzt, beziehungsweise wie eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage) funktioniert. Das heißt, sie erzeugt sowohl Strom als auch Wärme. Die Funktionsweise basiert auf einer elektrochemischen Reaktion, bei der Wasserstoff (H2) an der Anode und Sauerstoff (O2) an der Kathode zusammengeführt werden. Diese beiden Brennstoffe werden durch einen Elektrolyten voneinander getrennt. Wasserstoffmoleküle werden an der Anode in Wasserstoff-Ionen (Protonen) und Elektronen aufgespalten. Die freigesetzten Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis und erzeugen dabei elektrischen Strom, während die Wasserstoff-Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode wandern. An der Kathode reagieren die Wasserstoff-Ionen mit Elektronen und Sauerstoff, um Wasser (H2O) zu bilden. Dieser Prozess erzeugt nicht nur elektrischen Strom und Wasser, sondern auch Wärme, die zum Beispiel für die Heizung genutzt werden kann. Diese elektrochemische Reaktion wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet und ist besonders effizient.
Eine Brennstoffzelle erzeugt Energie durch die Umwandlung von verfügbarem Brennstoff, während eine Lithium-Ionen-Batterie beziehungsweise ein Lithium-Ionen-Akku Energie speichert und diese bei Bedarf nutzt. Ein entscheidender Bestandteil ist die Ionen-Austausch-Membran, da sie den Raum zwischen zwei Elektroden trennt.
Welche Brennstoffzellen gibt es?
Die Alkalische Brennstoffzelle ist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit einer konzentrierten wässrigen Lauge als Elektrolyt. Alkalische Brennstoffzellen waren ein bedeutender Schritt in der Entwicklung der Brennstoffzellentechnik.
Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ist eine Brennstoffzelle, die bei niedrigen Zell-Temperaturen zwischen 60 und 120 °C Methanol als Brennstoff nutzt, meist als wässrige Methanollösung, seltener als gasförmiges Methanol-Wassergemisch.
Die Oxidkeramische-Brennstoffzelle ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Betriebstemperaturen zwischen 500 °C und bis zu 1000 °C. Damit eignet sie sich für die direkte Verwendung von Kohlenwasserstoffen wie Diesel, Benzin oder Erdgas.
Die Festoxid-Brennstoffzelle, auch SOFC genannt, ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die mit einer Temperatur von 650 bis 1000 °C betrieben wird. Der Elektrolyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoff-Ionen zu leiten, gleichzeitig aber für Elektronen isolierend wirkt.
Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC beziehungsweise Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen) sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Der Elektrolyt besteht aus einer dünnen, festen Kunststoffhaut, der Polymer-Membran. PEMFC steht für „Proton Exchange Membrane Fuel Cell“, auf Deutsch: Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle. Bei einem Niedertemperatur-PEMFC-System wird chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Die Technologie ist eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Energiespeichern, insbesondere für mobile Anwendungen und im Automobilbereich.
Die PEM-Brennstoffzelle ist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, die bei Betriebstemperaturen unter 100 Grad arbeitet. Mit der PEM-Brennstoffzelle/ Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC – Proton Exchange Membran Fuel Cell) kann die Wasserstofftechnologie auch für die Heizung in Form einer Brennstoffzellen-Heizung genutzt werden.
Bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch an getrennten Elektroden kontrolliert zur Reaktion gebracht. Hierbei wird die chemische Energie des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in elektrische Energie umgewandelt.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle. Sie erzeugt durch eine chemische Reaktion Strom. Dabei wird die chemische Energie des Wasserstoffs genutzt und in elektrische Energie umgewandelt. Gerade in der E-Mobilität beziehungsweise beim E-Auto ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine spannende Alternative.
Bei der SOFC-Brennstoffzelle gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab. Die Elektronen fließen von der Anode zu Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluss, der Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt. Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
Anwendungen
Die Brennstoffzellentechnologie wird in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt. Eine der bekanntesten ist der Brennstoffzellen-Antrieb in Fahrzeugen. Dort liefern sie die Elektrizität für den Antrieb. Brennstoffzellenfahrzeuge haben den Vorteil, dass sie keine schädlichen Abgase produzieren und eine hohe Reichweite haben. Darüber hinaus werden Brennstoffzellen in stationären Brennstoffzellen-Kraftwerken eingesetzt, um dezentralen Strom zu erzeugen. Diese Kraftwerke können sowohl für den Eigenbedarf als auch zur Einspeisung ins Netz genutzt werden. Weitere Anwendungen lassen sich über Brennstoffzellen-Heizgeräte bis hin zur Raumfahrt finden, bei der die Zuverlässigkeit und Effizienz von Brennstoffzellen bei der Energieversorgung von Raumfahrzeugen eine entscheidende Rolle spielen.
Durch den hohen Wirkungsgrad erobert die Technologie auch den Markt für tragbare Geräte. Brennstoffzellen können als Notstromversorgung in entlegenen Gebieten oder als mobile Ladegeräte für elektronische Geräte dienen. Dies macht sie zu einer attraktiven Option für den Einsatz in Situationen, in denen konventionelle Stromquellen begrenzt sind.
Vorteile
Die Brennstoffzellentechnologie bietet zahlreiche Vorteile, die ihre Attraktivität als nachhaltige Energiequelle unterstreichen. Ein Hauptvorteil ist ihre Umweltfreundlichkeit. Brennstoffzellen erzeugen keine schädlichen Emissionen, da bei der Reaktion lediglich Wasser entsteht. Dies trägt zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei und ist ein wichtiger Schritt im Kampf gegen den Klimawandel.
Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die hohe Energieeffizienz von Brennstoffzellen. Sie sind in der Lage, einen Großteil der in den Brennstoffen enthaltenen Energie in elektrischen Strom umzuwandeln, was zu einer effizienten Energieerzeugung führt. Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, bei denen ein erheblicher Teil der Energie in Form von Abwärme verloren geht, sind Brennstoffzellen weitaus effizienter.
Brennstoffzellen zeichnen sich auch durch ihre Langlebigkeit aus. Sie haben eine lange Betriebsdauer und sind im Vergleich zu Batterien wartungsarm. Dies macht sie zu einer zuverlässigen Energiequelle für viele Anwendungen.
Darüber hinaus können Brennstoffzellen kontinuierlich Energie erzeugen, solange Brennstoff vorhanden ist. Dies ist besonders in Situationen von Vorteil, in denen eine kontinuierliche Energieversorgung erforderlich ist, wie beispielsweise in Notstromversorgungssystemen.
Nachteile und Herausforderungen
Obwohl die Brennstoffzellentechnologie viele Vorteile bietet, gibt es auch Herausforderungen und Einschränkungen, die noch überwunden werden müssen. Eine dieser Herausforderungen ist die Herstellung von Wasserstoff, der als Brennstoff für die Zellen dient. Die Herstellung von Wasserstoff kann energieintensiv sein und erfordert nachhaltige Produktionsmethoden, um die Umweltauswirkungen zu minimieren. Dabei könnten erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie eine entscheidende Rolle spielen.
Die begrenzte Infrastruktur für Wasserstofftankstellen ist ein weiteres Hindernis für die Verbreitung von Brennstoffzellenfahrzeugen. Um das volle Potenzial dieser Fahrzeuge auszuschöpfen, ist der Ausbau eines flächendeckenden Netzwerks von Tankstellen notwendig.
Ein weiterer wichtiger Faktor sind die Kosten. Obwohl die Kosten für Brennstoffzellen in den letzten Jahren gesunken sind, sind sie immer noch vergleichsweise hoch. Die Senkung der Herstellungskosten ist ein zentrales Ziel, um die Technologie für eine breitere Anwendung zugänglicher zu machen.
Schließlich müssen Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden, insbesondere im Umgang mit Wasserstoff, der leicht entzündlich ist. Die Entwicklung sicherer Speicher- und Transportmethoden für Wasserstoff ist von großer Bedeutung.
Zusammenfassung
Insgesamt ist die Brennstoffzellentechnologie ein vielversprechender Ansatz, um den Übergang zu sauberen und nachhaltigen Energiequellen voranzutreiben. Sie bietet eine umweltfreundliche Möglichkeit, elektrische Energie zu erzeugen, die in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt werden kann. Mit anhaltenden Fortschritten in Forschung und Entwicklung sowie Investitionen in die Infrastruktur könnten die Brennstoffzellen eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung der Herausforderungen des Klimawandels und der Energiewende spielen.
