Brennstoffzellen gehören in die Oberliga der angekündigsten Revolutionen am Energiemarkt. Man spricht von ungekannten Effizienzen und Start-Ups übertreffen sich gegenseitig mit Ankündigungen extrem niedriger Kosten. Aber reale Preise selbst großer Anbieterfirmen sind offenbar Geschäftsgeheimnis. Statt Preisen findet man aber sofort Links zu Subventionsangeboten der jeweils lokalen Regierung. Von der viel gepriesenen Effizienz bleibt in der Realität übrigens auch nicht viel übrig. (Wer eine ausführliche und viel detailliertere Übersicht über die Technik haben will , wird hier fündig.) Aber der Reihe nach.

Was ist eigentlich so eine Brennstoffzelle?

Sie ist letztlich eine Art Batterie, bei die eigentlichen Energieträger nicht Teil der Batterie sind, sondern Stück für Stück zugeführt werden. Die eigentliche Brennstoffzelle stellt nur die Infrastruktur zur Verfügung, damit es zwischen den Stoffen zu einer kontrollierten chemischen Reaktion kommt.

Die einfachste Reaktion ist dabei die von Wasserstoff und Sauerstoff. Ein Wasserstoffmolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen, die nur aus einem Proton bestehen. Schon weil das Wort kürzer ist, redet mas deswegen oft auch von Protonen. Zusammengehalten wird das Molekül von zwei Elektronen, die sich die beiden Atome teilen. Beim Sauerstoff ist es das gleiche, nur dass Sauerstoffmoleküle von insgesamt vier Elektronen zusammengehalten werden.

Damit zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom ein Wassermolekül formen können, müssen zuerst die Moleküle aufgetennt werden. Das geht am einfachsten, wenn der Wasserstoff pro Atom ein Elektron abgibt. Für den Sauerstoff ist es am einfachsten, jedes Atom zwei Elektronen aufnimmt. Wenn Wasserstoff mit Sauerstoff verbrennt, passiert das alles in einem Aufwasch. Die Wasserstoffatome bringen ihre Elektronen mit und die Sauerstoffatome nehmen sie begierig auf. Weil die Elektronen an den Wasserstoffatomen hängen, bleiben die Wasserstoffatome aber gleich dort wo sie sind, nämlich bei dem einen Sauerstoffatom. Dieses Sauerstoffatom nimmt zwei Elektronen von Wasserstoffatomn auf und deswegen hängen jetzt zwei Wasserstoffatome an dem Sauerstoffatom.

Nachdem nun geklärt ist, dass mich in der Hölle Chemikern verfolgen und quälen werden, kommen wir dazu, was die Brennstoffzelle macht.

Die Brennstoffzelle trennt diesen Prozess räumlich auf. An der Anode wird der Wasserstoff gespalten und die Elektronen werden von den Wasserstoffatomen abgespalten. Die Protonen (Wasserstoff ohne Elektronen) gelangen nun durch die Anode hindurch in ein Elektrolyt, in dem sich geladene Teilchen wie Protonen bewegen können. Zur Zeit haben sie aber noch keinen Grund dazu.

Auf der anderen Seite des Elektrolyts ist die Kathode. An ihr werden Sauerstoffmoleküle gespalten und nehmen Elektronen auf. Dazu braucht man Elektronen und die kommen von der Anode. Die Negativ geladenen Sauerstoffatome sorgen auch dafür, dass die positiv geladenen Protonen einen guten Grund haben, sich durch das Elektrolyt zur Kathode hindurch zu kämpfen – auf sie wirkt eine anziehende elektrische Kraft. Wichtig ist jetzt nur, dass die Sauerstoffatome draußen bleiben und nicht in das Elektrolyt gelangen, denn jetzt kommt der eigentliche Trick an der Sache.

Die Elektronen der Wasserstoffatome bewegen sich nicht durch das Elektrolyt hindurch, sondern durch einen elektrischen Leiter der von der Anode zur Kathode geht. Zwischen beiden besteht eine elektrische Spannung und mit der kann man jetzt elektrische Geräte antreiben. Wenn jetzt ein negativ geladenes Sauerstoffatom mitsamt Elektronen in das Elektrolyt hinein kommt, dann reagiert es einfach so mit dem Wasserstoff und die Elektronen müssen diesen Umweg nicht nehmen.

Um überhaupt die Wasserstoffmoleküle zu spalten, braucht man einen Katalysator. Es kann zwar auch von allein passieren, das ist aber viel zu langsam. Zu den besten Katalysatoren gehört Palladium und Platin. Nickel ist 1000 mal schlechter als Palladium und etwa 100 mal so schlecht wie Platin. Höhere Temperaturen helfen aber auch mit der Geschwindigkeit der Reaktion, weshalb bei Brennstoffzellen mit hohen Temperaturen auch Nickel zum Einsatz kommt.

Wie sieht es mit der Effizienz aus?

Die Effizienz einer Brennstoffzelle verhält sich völlig anders als die Effizienz eines Verbrennungsmotors oder eine Dampfturbine. Eigentlich genau umgekehrt.

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Kommentare (23)

  1. #1 Kniffes
    20. Juli 2015

    Naja, eine kompakte Brennstoffzelle mit einem ganzen GuD-Kraftwerk zu vergleichen ist aber auch eher unrealistisch. Als Vergleich würden sich da wohl eher aktuelle Verbrennungsmotoren mit Generator eignen, beispielsweise in Pkw oder Nfz. Und dort könnten (!) unter bestimmten Bedingungen und der Vorraussetzung, dass es noch entsprechende Innovationen gibt, diese irgendwann mal konkurrenzfähig sein.

    (Wobei ich auch da ein großes Problem sehe: Man wird die elektrische Energie der Brennstoffzelle zwischenspeichern müssen, da man eine lastabhängige Leistungsentnahme aus der BSZ nur mit deutlichem Wirkungsgradverlust erkaufen kann. Ich habe also eine Batterie, die keine Batterie ist, die eine Batterie speist, die eigentlich nur notwendig ist, weil die erste keine richtige Batterie ist.)

    • #2 wasgeht
      20. Juli 2015

      Es wird teilweise gefordert(!), dass auf Großkraftwerke verzichtet und stattdessen “dezentral” kleine Brennstoffzellen und ähnliches benutzt wird, weil zentrale Stromversorgung angeblich schlecht wäre.

      Deswegen ist der Vergleich mehr als berechtigt. Großkraftwerke sind effizienter und sollten deswegen vorgezogen werden, wo immer das möglich ist, um den Brennstoffverbrauch zu minimieren.

  2. #3 Ludger
    20. Juli 2015

    Wenn man billigen Strom im Überfluss hätte, zum Beispiel nachts von Kraftwerken der Grundlast, der sonst gegen Gebühr in norwegischwen oder österreichischen Pumpspeicherkraftwerken abgenommen wird, könnte man mit dem zwar mit schlechtem Wirkungsgrad aber trotzdem wirtschaftlich Wasserstoffgas für Brennstoffzellenautos herstellen? Die Idee mit den Brennstoffzellenautos kommt ja aus lange vergangenen Jahrzehnten, als der Kernkraft für die Energieversorgung noch eine viel wichtigere Rolle zugedacht war. Ist die Idee deshalb in Japan wirtschaftlicher als in Deutschland?

  3. #4 dgbrt
    20. Juli 2015

    Das größte Problem sind die Tanks für die Rohstoffe. Bei Apollo 13 ist ja nur der Sauerstoff-Tank explodiert, das selbe bei einem Wasserstoff-Tank hier auf der Erde würde eine tolle Knallgas-Explosion bedeuten. Wer möchte schon auf einem solchen Pulverfass sitzen? Technik wird versagen, auch wenn sie noch so sicher ist!

    • #5 wasgeht
      20. Juli 2015

      Wasserstoff ist im Prinzip nicht gefährlicher als Methan und das benutzen wir überall. Ja, es ist gefährlich und Explosionen gibt es auch regelmäßig. Aber es sind nur Tote und Schwerverletzte damit verbunden und keinerlei Radioaktivität.

      Es gibt nichts zu sehen. Gehen sie weiter.

  4. #6 Ludger
    21. Juli 2015

    #5: “Wasserstoff ist im Prinzip nicht gefährlicher als Methan […]”

    Gibt es bei Methan auch so einen Effekt wie die Wasserstoffversprödung ( https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffverspr%C3%B6dung )?

    • #7 wasgeht
      21. Juli 2015

      Nein (außer bei Stadtgas, aber da war Wasserstoff drin).

  5. #8 Struppi
    21. Juli 2015

    Hmm? Mir geht es beim lesen der Artikels ähnlich wie Kniffes.

    Ich hatte von Brennstoffzellen bisher überwiegend im zusammenhang als Ersatz für Verbrennungsmotoren und Kleinsterzeugern gehört. Daher finde ich den Vergleich zu einem Großkraftwerk etwas populistisch – es soll mit Gewalt gezeigt werden, dass Brennstoffzellen inneffizient sind.

    Wobei dann aber neben dem Wirkungsgrad die Abgase oder Förderungsschäden nicht erwähnt werden.

    Das sind dann auch, soweit ich diese Berichterstattung verfolgt habe, die “revolutionären” Punkte, die für die Zelle in’s Feld geführt werden. Das mit nahezu endlos vorhandenen Rohstoffen und mit sehr wenig Abfallstoffen Energie erzeugt werden kann. Die dezentrale Versorgung kann daneben für viele Regionen auf der Welt ein grosser Vorteil sein. Nicht jedes Land hat die Bevölkerungsdichte wie wir hier.

    Aber letztlich hast du vermutlich recht, als Physiker muss man alles für Iter tun :-)

    • #9 wasgeht
      21. Juli 2015

      Der Punkt ist einfach, dass die Effizienz in Autos *noch* weiter sinkt, weil man dort noch mehr Leistung aus den Brennstoffzellen heraus holen will. Gleichzeitig kann man keine Hochtemperaturzellen benutzen, womit man entweder auf Wasserstoff oder Methanol und ähnliches angewiesen ist, dessen Effizienz in Brennstoffzellen auch nicht so toll ist.

      Sagen wir einfach, ich wollte bei den Brennstoffzellen in den Autos nicht noch nachtreten, die liegen eh schon fast regungslos auf dem Boden der Tatsachen.

  6. #10 ThouSou
    21. Juli 2015

    Falls jemand (wie ich) nach vielen Jahrzehnten des Wartens endlich mal eine Brennstoffzelle benutzen möchte:
    Es soll demnächst eine BSZ für die Hosentasche geben.
    OK vielleicht doch lieber nur im Rucksack und nicht in der Hosentasche ;-)
    http://hellokraftwerk.com/

  7. #11 Serge
    21. Juli 2015

    “Daher finde ich den Vergleich zu einem Großkraftwerk etwas populistisch – es soll mit Gewalt gezeigt werden, dass Brennstoffzellen inneffizient sind.”

    Die erste Hälfte des Argument (“populistisch “) sticht nicht, da es hier kein ‘populus’ gibt.

    Die zweite Hälfte trifft ebenfalls nicht, weil Sie nur eine Behauptung, aber keinen Beleg für die Effizienz der Brennstoffzelle anbieten.

  8. #12 Florian
    21. Juli 2015

    Ein Kraftwerk das mit Erdgas betrieben wird hat doch eine völlig andere Funktion als eine Brennstoffzelle die ja, wie im Artikel beschrieben, eher als Speicher dient.
    Geht der Vergleich zwischen GuD Kraftwerk und Brennstoffzelle davon aus das dass Gas für das Kraftwerk synthetisch Hergestellt wird?
    Das würde dann wieder halbwegs Sinn machen, aber wie auch andere schon geschrieben haben, zielen Brennstoffzellen für gewöhnlich doch eher auf Fahrzeuge ab, und müssten sich dann eher mit, mit synthetischem Gas angetriebenen oder vor allem wohl E-Autos mit Akku messen, oder nicht?
    So ein Kraftwerk würde dann eher mit Pumpspeichern und ähnlichem in Konkurrenz stehen.

    • #13 wasgeht
      21. Juli 2015

      Die Brennstoffzelle ist ein Ding bei dem vorn Luft und Brennstoff hinein kommen und hinten Strom und Abwärme raus kommen. Exakt das gleiche wie jedes Kraftwerk (das auch nur ein Motor mit Generator ist).

      Alles andere ist nur PR.

  9. #14 Struppi
    21. Juli 2015

    @serge: Für mich klingt der Artikel, als ob es darum geht eine Technologie gegenüber einer anderen als Schlechter darzustellen, wobei meiner Meinung nach dabei wichtige Faktoren vergessen wurden.
    Da die Fossilen Brennstoffe unpopulär sind, habe ich diesen Ausdruck verwendet. Mag für dich und deine Argumentationen nicht zutreffend sein, aber in der allgemeinen öffentlichen Debatte passt das schon.

    Der zweite Teil deiner “Kritik” ist unverständlich, da ein Satz der etwas zusammenfasst kein Beleg sein kann.
    Wobei ich aber auch nicht gesagt habe, dass die BZ effizient ist, falls ich das aus deiner Formulierung richtig herauslese. Es ging um den Artikel und dort wird die Effizienz der Technologien verglichen, also insofern erscheint mir dein Einwurf etwas verwirrt.

  10. #15 damals
    21. Juli 2015

    Wir schreiben das Jahr 1886. Was geht Automobile mit Verbrennungsmotor

    Jedoch erreichen Automobil mit Verbrennungsmotor nicht die Zugkraft, Tragkraft und Reichweite von Fuhrwerken und Lokomotiven. Es gibt kein speziell für Automobile ausgebautes Wegenetz und auch nicht hinreichend genügend Zapfstellen. Deshalb wird die automobile Revolution ausbleiben.

    • #16 wasgeht
      21. Juli 2015

      Der Unterschied zwischen Pferdewagen und Automobil waren Größenordnungen. Es gab auch kein physikalisches Gesetz, dass die Unterschiede im wesentliche begrenzte.

      Der Unterschied zwischen Brennstoffzellen und herkömmlichen Verbrennunngsmotoren beträgt ein paar Prozent und wird aus physikalischen Gründen niemals darüber hinaus kommen können.

      Sicher.

      Es kann sehr gut sein, dass man eines Tages einen Weg findet, Brennstoffzellen zu niedrigen Preisen herzustellen. Das wird in absehbarer Zeit nicht passieren.

      Aber auch wenn es passiert, dann hat man Brennstoffzellen, die im besten Fall 20-30 Prozent weniger Kraftstoff verbrauchen Verbrennungsmotoren (oder Kraftwerke mit Turbinen).

      Mehr nicht.

      P.S.: Mal ganz abgesehen davon, dass es eine 90-95% effiziente Möglichkeit gibt, Strom im Auto mitzunehmen und in Arbeit umzuwandeln: Batterien. Dann ist es sogar egal woher der Strom kommt.

  11. #17 Florian
    21. Juli 2015

    Ok ich denk ich habs geschnallt. Ich kannte Brennstoffzellen eigentlich nur im Zusammenhang mit Fahrzeugen, hab aber grade mal gegoogelt und gesehen das es auch Brennstoffzellen für Zuhause gibt um Erdgas in Strom umzuwandeln.
    Dann ist der Vergleich natürlich absolut logisch.

  12. #18 damals
    21. Juli 2015

    “Der Unterschied zwischen Pferdewagen und Automobil waren Größenordnungen” Nicht 1886.

    • #19 wasgeht
      21. Juli 2015

      Ja, aber es gab ein physikalisches Potential das weit darüber hinaus ging. Wären Autos aus physikalischen Gründen maximal 20%-30% schneller oder stärker als Pferdewagen gewesen, hätte es keine auch nur entfernt vergleichbare Entwicklung gegeben.

  13. #20 Phil
    22. Juli 2015

    Wie sieht das mit Brennstoffzellen und LKWs aus? In einem LKW sollte so eine Zelle doch deutlich effizienter betrieben werden können. Zumindest fahren LKWs die meiste Zeit das gleiche Tempo. Oder bleibt Diesel auf absehbare Zeit der Brennstoff der Wahl?
    Die Frage interessiert mich insbesondere unter dem Aspekt, dass ggf. autonom fahrende LKWs 23h/Tag auf der Straße sind und natürlich nicht wie ein PKW alle 300 km eine halbe Stunde die Batterie laden können. Dafür bräuchte es ein Konzept, oder man bleibt beim guten alten Diesel, solange es noch abbaubare Ölfelder gibt.

    • #21 wasgeht
      22. Juli 2015

      Das macht die Brennstoffzellen nicht billiger. Das Gewicht ist ja nur der eine Punkt. Um so größer die Leistung bei gleicher Effizienz sein soll, um so größer muss die Brennstoffzelle werden und um genausoviel steigt dann auch der Preis.

  14. #22 Struppi
    22. Juli 2015

    @damals: das war genau die grosse Zeit in der Elektroautos ihre Blüte hatten https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto#Die_gro.C3.9Fe_Zeit_der_Elektroautos_.281896.E2.80.931912.29

  15. #23 A. Röck (Cand.-Ing.)
    80333 München
    18. Februar 2016

    A.- Röck (Cand.-Ing.:
    i) AUTOFAHREN MIT WIND!
    ii) STATT LITHIUM eCAR HYPE, HYDROGEN POWERED CARS !
    Unter Greenpeace, gibt`s auch Greenhorns: D. Moser sagt: “Um die Energie von 1 Liter Sprit zu nutzen, müssen fast 3 Liter eingesetzt werden”. Er wollte uns eigentlich sagen: um die Energiemenge von 1 L Benzin (= 8,6 kWh-therm) in Form von Wasserstoff (H2), also wieder 8,6 kWh, aber als H2, zu erhalten, müssen rund 3 L (= 3 x 8,6 kWh) aufgewendet werden! Das ist nicht neu, der Faktor ist sogar noch schlechter (3,7), aber:
    II) WARUM ist auch das wieder mal eine der berühmten Milchmädchen-Rechnungen ?
    III) Niemand dieser Welt würde das machen, was Moser vergleicht, nämlich: Mit einem Benzinmotor einen Elektro-Generator antreiben, ergibt Gleichstrom [DC], u. nun mit diesem DC eine große Elektrolyse-Anlage (Dresden), speisen, die sehr wohl einen Wirkungsgrad von 70 % erreicht. Man umgeht diese lange Unsinns-Kette u. setzt WindKraftAnlagen (WKA), ein.
    IV) Aus 1 kWhel Gleichstrom [DC], aus Wind Elektrolyse von Wasser, kommt heraus:
    a) 0,7 kWh als H2 für die H2- Zellen des Wasserstoffautos,
    b) verkaufbarer Sauerstoff (O2) für Kliniken u. zum autogen Schweißen.
    c) verkaufbare 30% Abwärme in Fernwärme – Pipelines oder für Prozeßwärme. Das senkt die Kosten für den H2 enorm! D.h. einfach Energien als Verluste in Beziehung zu setzen, die gar nicht verloren sind, sondern prima verkauft werden können, ist glatter Unsinn!
    V) Nicht verkaufen kann man natürlich die Energie, die nötig ist, um H2 in Stahlflaschen zu komprimieren auf 700 bar; dazu sind 13% nötig von der Energiemenge, die man in die Flasche pumpt; D.h.: 1 kWhel aus Wind ergibt 0,7 kWh in Form, von H2; nur von diesen 0,7 kWh sind 13 % nötig für die Kompression auf 700 bar (= 0,09 kWh);
    VI) Die Kosten für 100 km Fahren sind also bis hier, wieviel?
    a) Für 100 km sind am Rad ca. 15 kWh mec. nötig: aus 1 Wind- kWhel erhält man über E-Lyse –> H2-Zellen -Stack –> eMotor- Ausgang 0,27 kWhmec. Kurz: 1 Wind- kWh entspricht 0,27 kWh-mec am Rad. Für 15 kWh (100 km) = 15 / 0,27 = 55,5 kWhel aus Wind nötig Diese Kosten (Industriestrom 12 Cent/ kWh) = 6,66 € / 100 km.
    Abzüglich Einnahmen aus dem Verkauf von O2 und Wärme also noch weniger Kosten!
    VII) Aber: wenn irgendwann 20 Mio H2-Cars oder gar unsere 45 Mio Autos mit H2 fahren würden, wäre wohl nicht mehr der ganze anfallende O2 noch verkaufbar! Die Wärme jedoch sehr wohl!
    Conclusio: a) Der Li-Hype ist in Wahrheit schon ein toter Hund, denn das Lithium (Li) reicht bei den global 1 Mrd. Autos, wenn sie alle eCars wären (bei 12000 km/ Jahr), höchstens 30 Jahre incl. Recycling!
    b) Denn: In der Erdkruste sind laut IPCC (UN) nur ca. 12- 20 Mio t Li.
    c) H2 reicht unendlich lange (5 Mrd. Jahre, d.h., solange die Sonne brennt, also Thermik ist und also Wind herrscht, die billigste aller Stromerzeugungen!
    d) Die Volkswirtschaftler der Autokonzerne haben sich aber entschlossen, erst mal die nächsten 30 Jahre den Li-Batterieantrieb den Massen zu verkaufen, erst dann hydrogen powered cars, d.h. in 60 J. 2 x die Massen abzocken! (Eig. Berechnungen).
    18.2.2016, A.R.