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Brennstoffzelle/ Wasserstofftechnologie

Schon vor über 125 Jahren entwickelte Jules Verne die Vision einer Wasserstoffwirtschaft. Zwar ist Vernes Vision (noch) nicht Wirklichkeit geworden, aber Wasserstoff verspricht für die Zukunft als Energieträger interessante Anwendungen zu finden. Wir möchten Ihnen auf dieser Web-Seite etwas näher bringen, warum dies so ist und weshalb es sich lohnt, die laufenden Forschungen auf diesem Gebiet zu unterstützen.

Wasser besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff. Wird aus diesen beiden Elementen in einer chemischen Reaktion Wasser hergestellt, so wird mehr Energie freigesetzt als zum Start der Reaktion benötigt wird. Diesen Vorteil macht sich die Brennstoffzelle zu eigen. In einer kontrollierten Reaktion wird aus Wasserstoff und Sauerstoff Wasser hergestellt und die dabei freiwerdende Energie genutzt. Diese kann sowohl zur Strom- als auch zur Wärmeerzeugung verwendet werden.

Die Brennstoffzelle besteht aus einer Anode (Minuspol) und Kathode (Pluspol) sowie einem ionenleitenden Elektrolyten. Je nachdem, aus welchem Material der Elektrolyt beschaffen ist, wird zwischen Polymer - Elektrolyt – Membran - Brennstoffzellen, Phosphorsauren Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat - Brennstoffzellen und oxidkeramischen Brennstoffzellen unterschieden.

Da eine Einzelzelle nur eine geringe Spannung produziert, werden mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet um die gewünschte höhere Spannung zu erreichen. Mehrere solche miteinander verbundenen Brennstoffzellen werden als "Stack" bezeichnet. Der in Brennstoffzellen eingesetzte Wasserstoff wird in der Regel entweder durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen oder es werden Heizöl bzw. Erdgas eingesetzt. Eine interessante Möglichkeit ist auch der Einsatz von Methanol, das zum Beispiel durch die Vergärung von Biomasse gewonnen werden. Während im mobilen Bereich flüssige Brennstoffe favorisiert werden, bietet sich im stationären Bereich Erdgas an. Für Mini-Brennstoffzellen-Systeme in tragbaren Anwendungen (z.B. Unterhaltungselektronik) wird der Einsatz von Wasserstoff favorisiert, da eine Aufbereitung von Brennstoffen nicht Platz sparend genug wäre.

Der Vorteil der Brennstoffzelle liegt darin, dass zum Beispiel im Vergleich zu fossilen Energieträgern (Kohle, Erdöl, Erdgas) beim Einsatz von regenerativ erzeugtem Wasserstoff keine und bei der Verwendung von Erdgas in Brennstoffzellen weniger klimarelevante Emissionen entstehen.

Anders dagegen bei fossilen Energieträgern (Kohle, Erdöl, Erdgas). Hier entstehen bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern Kohlenstoffdioxid (CO2) und zum Teil andere Treibhausgas – Emissionen. Außerdem sind diese Energieträger endlich. Wasserstoff dagegen liegt nach heutigem Ermessen in nahezu unerschöpflichem Ausmaß vor. Die entscheidende Frage ist hierbei, wie wir den Wasserstoff auch wirtschaftlich erzeugen können. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen beträgt zur Zeit je nach Anwendungsbereich ca. 35 bis 60 Prozent [Quelle: BINE Informationsdienst: Kraft- Wärme – Koppelung mit Brennstoffzellen, projektinfo 5/00].

Weitere Vorteile: Brennstoffzellen erzeugen im Vergleich mit herkömmlichen Blockheizkraftwerken mehr Strom als Wärme und verursachen keinen Lärm. Bei Brennstoffzellen in der stationären Energieversorgung kann die gewonnene Abwärme flexibel auf einem hohen Temperaturniveau bereitgestellt werden. Brennstoffzellen in tragbaren Kleingeräten verfügen im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien über eine lange Lebensdauer. Auf diese Weise leisten sie einen Beitrag zur Abfallvermeidung [Quelle: Deutscher Bundestag: Bericht des Ausschusses für Bildung Forschung und Technikfolgenabschätzung. Technikfolgenabschätzung. Hier TA-Projekt: "Brennstoffzellen-Technologie", Drs. 14/5054, S. 12.]. Die Brennstoffzellen sind mechanisch einfache Systeme ohne bewegte Teile, im Unterschied zu herkömmlichen Motoren vibrieren sie nicht im Betrieb, sind ölfrei und haben einen geringen Wartungsaufwand.

Mögliche Anwendungsbereiche für Brennstoffzellen sind der Antrieb von Autos, der Einsatz als kleine dezentrale Kraftwerke, die je nach Bedarf auch seriell geschaltet werden können oder Blockheizkraftwerke.

Allerdings soll nicht verschwiegen werden, dass bis heute die Bereitstellung und Herstellung von Wasserstoff in großen Mengen noch Probleme bereitet. So erfordert die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe der Elektrolyse einen hohen Energieaufwand. Da die überwiegende Anzahl der Kraftwerke heute noch auf der Basis fossiler Energieträger betrieben wird, werden beim Betrieb dieser Kraftwerke, und damit indirekt bei der Energienutzung aus diesen Kraftwerken, klimarelevante Gase ausgestoßen. Für die Herstellung von Wasserstoff bedeutet dies, dass seine Gewinnung auf fossilem Wege mit dem Ausstoß von klimarelevanten Gasen zusammenfällt. Wird Wasserstoff nun mittels regenerativ erzeugter Elektrizität (z.B. Windkraft, Fotovoltaik oder Biogas) gewonnen, dann werden weitaus weniger bis nahezu gar keine klimarelevanten Gase ausgestoßen. Es ist festzustellen, dass der Beitrag von Brennstoffzellen zur Vermeidung von Treibhausgasen stark davon abhängt auf welche Art und Weise der eingesetzte Wasserstoff bereitgestellt wird. [Quelle: Deutscher Bundestag: Bericht des Ausschusses für Bildung Forschung und Technikfolgenabschätzung. Technikfolgenabschätzung. Hier TA-Projekt: "Brennstoffzellen-Technologie", Drs. 14/5054, S. 9.]

Wird Wasserstoff als Energieträger in Brennstoffzellen für Autos eingesetzt, dann muss es auch ein entsprechendes "Tankstellennetz" für Wasserstoff geben. Dieses existiert aber noch nicht. Darüber hinaus sind Blockheizkraftwerke im Vergleich zu Brennstoffzellen gegenwärtig in der Regel kostengünstiger und technologisch ausgereifter. Das heißt natürlich nicht, dass damit alle Forschungen für Brennstoffzellen aufgegeben werden sollten. Im Gegenteil, allerdings besteht kein Grund zu vorschneller Euphorie. Wahrscheinlich wird Wasserstoff aus erneuerbaren Energieträgern in Zukunft wichtiger werden, aber nicht die führende Rolle in unserer Energieversorgung einnehmen und voraussichtlich die bisher genutzten Energieträger ergänzen.

Die Wasserstoffgewinnung
Anders als fossile Energieträger, wie Kohle, Erdöl oder Erdgas, existiert Wasserstoff nur in gebundener Form. So zum Beispiel in sogenannten organischen Verbindungen. Dies sind Kohlenwasserstoffe wie Methan, Biomasse aber auch Erdöl. Um den Wasserstoff in Brennstoffzellen einsetzen zu können, muss dieser zuerst aus den Kohlenwasserstoffen gelöst werden. Dies geschieht entweder bei hohen Temperaturen und Druck sowie anschließender Stofftrennung oder Vergasung mit Sauerstoff- und Wasserstoffzufuhr. Daneben werden noch andere Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff erprobt. Erfolgversprechend scheint die Gewinnung von Wasserstoff mittels Elektrolyse (Wasserstoff wird aus Wasser gewonnen) wobei die hierfür notwendige Energie aus regenerativer Energien stammt. Der gewonnene Wasserstoff kann nun gespeichert werden, bevor er in Brennstoffzellen je nach Erfordernis eingesetzt wird.

Das "Virtuelle Kraftwerk" oder das Internet der dezentralen Energieproduzenten
Während das Internet aus einer Vielzahl dezentral vernetzter Computer besteht, existiert heute ein Stromverbund aus eher zentralen Kraftwerken. Mit einem bundesweiten Pilotprojekt "virtuelles Kraftwerk" soll der Eintritt in eine dezentrale Energieversorgung erprobt werden. Es ist geplant verschiedene Brennstoffzellen miteinander zu vernetzen. Diese werden darüber hinaus technisch so gesteuert, dass sie im Verbund die Leistung eines Kraftwerks erreichen. [Quelle: Die Bundesregierung: Perspektiven für Deutschland. Unsere Strategie für eine nachhaltige Entwicklung. Entwurf der Nationalen Nachhaltigkeitsstrategie, Berlin 2002, S.128]

Das Land Niedersachsen wird Forschungsvorhaben im Bereich der Wasserstofftechnologie auch im Hinblick auf die klimaschützende Funktion dieses Energieträgers unterstützen.

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