Die Effizienz einer Brennstoffzelle hängt ganz wesentlich von zwei Faktoren ab. Am seltensten genannt, aber sehr wichtig, ist die Leistung. Um so mehr Leistung einen Brennstoffzelle bringen muss, um so mehr sinkt die Effizienz – und zwar rapide. Das liegt ganz wesentlich daran, dass nur begrenzt viel Platz für die Reaktionen ist und irgendwann nicht mehr so viel Wasserstoff oder Sauerstoff nachkommen kann, wie gebraucht wird. Dazu kommt der elektrische Widerstand innerhalb der Brennstoffzelle. Um so größer der Stromfluss, um so größer wird der Spannungsabfall – und damit wachsen die Verluste pro übertragenem Ladungsträger. Und genau das ist die Effizienz. Wenn man also eine kleinere Brennstoffzelle benutzen will, dann geht das immer auf Kosten der Effizienz. Aber wegen der hohen Herstollungskosten der Brennstoffzellen, will man natürlich möglichst kleine Brennstoffzellen benutzen (vom Gewicht noch ganz abgesehen).
Der Zusammenhang hat zur Folge, dass die meisten Jubelmeldungen zu Brennstoffzellen die Effizienz bei minimaler Leistung angeben und nicht etwa bei der Nennleistung der Brennstoffzelle. Die sinkt dann nämlich gerne einmal von 70% auf 40% und ähnliches.
Der zweite Faktor ist die Arbeitstemperatur. Die hängt nun im wesentlichen von der Konstruktion der Brennstoffzelle ab. Von Wärmemaschinen ist man gewohnt, dass hohe Temperaturen hohe Effizienzen mit sich bringen. Das ist hier nicht so. Um so höher die Temperatur bei der die Reaktion stattfindet, um so größer wird der Anteil der Energie, die nur als Wärme frei wird, also als zusätzliche Bewegungsenergie des frisch gebildeten Wassermoleküls.
Selbst bei Zimmertemperatur, minimaler Leistung und ohne weitere Verluste kann man bestenfalls eine Effizienz von 83% erreichen. Mehr lässt die Chemie nicht zu. Bei 200 Grad sind es nur noch 77%, bei 600 Grad 70% und bei 1000 Grad 62%. Hohe Temperaturen sind aber der Schlüssel zu Vermeidung von Edelmetallen als Katalysator.
Dazu kommt noch, dass man Brennstoffzellen gerne nicht mit Wasserstoff betreiben würde, sondern direkt mit Methan. Aus Methan kann man Wasserstoff gewinnen, indem man bei hohen Temperaturen Wasserdampf mit Methan reagieren lässt. Es geht so also direkt in der Zelle. Allerdings entsteht dabei als Zwischenprodukt Kohlenmonoxid, das einige Katalysatoren bei der Arbeit behindert. Ganz abgesehen davon geht in dem Prozess nochmal etwa ein Viertel der Energie verloren.
In der Realität bleibt von überlegener Effizienz dann nichts mehr übrig. Eine Effizienz von 47% bezogen auf den unteren Heizwert ist deutlich schlechter als die Effizienz von 60%, die ein Gas-und-Dampf Kraftwerk mit dem gleichen Bezugswert liefert. Real, bezogen auf den Brennwert, liefert die Brennstoffzelle nur 39%.
Der einzige Vorteil ist, dass die Effizienz für eine so kleine Leistung noch recht gut ist.
Preise
Die realen Kosten bewegen sich im Bereich von $6000/kW, für Brennstoffzellen die nur 10-15 Jahre Lebenserwartung haben. Man liest zwar immer wieder von Abschätzungen um die $400/kW und ähnlich grandiosen Werten in Massenproduktion, aber die Realität sieht ganz anders aus. Natürlich können Skaleneffekte in Massenproduktion zu einer deutlichen Senkung der Preise führen, aber der Beweis steht immernoch aus und die Unternehmen halten sich sowohl mit ihren Preisen als auch mit ihren Kosten sehr bedeckt. Gleichzeitig steht die Revoltion am Brennstoffzellenmarkt immernoch aus, was vermuten lässt, dass die verdeckten Kosten und Preise eher ziemlich hoch sind.
Aber selbst wenn die Preise sinken bleibt die Frage: Was bringt es? Die Lebensdauer der Zellen mag noch steigen, aber der Effizienz sind physikalische Grenzen gesetzt. Diese Grenzen erlauben zwar tatsächlich höhere Werte als Turbinen und Dieselmotoren, aber nur bei extrem niedriger Leistung und damit extrem hohen Kosten für eine restlos überdimensionierte Brennstoffzelle. Gleichzeitig werden natürlich auch die klassischen Turbinen weiter entwickelt und immer effizienter.
Brennstoffzellen mögen ein weiterer Weg sein Strom zu erzeugen. Falls die Preise eines Tages ernsthaft sinken, können sie auch einige größere Nischen besetzen. Aber eine Revolution stellen sie nicht dar und deswegen wird sie auch weiterhin ausbleiben.
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