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.
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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