Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in nutzbare elektrische Energie umwandelt.
Technisch besonders bedeutsam ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff und Sauerstoff können durch Einsatz regenerativer Energien aus der Erdatmosphäre gewonnen werden. So kann z.B. Solarenergie genutzt werden, um den Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Damit ist dieser Energiewandler einer der Hoffnungsträger für eine nachhaltige Energieerzeugung. Im Folgenden wird diese Brennstoffzelle beschrieben.
Zunächst sind Wasserstoff und Sauerstoff durch eine Membran getrennt. Der Wasserstoff wird katalytisch in Elektronen und Protonen aufgespalten. Die Protonen diffundieren durch die Membran, die Elektronen nehmen den 'Umweg' durch den elektrischen Verbraucher. Beide verbinden sich (im Allgemeinen auch katalytisch unterstützt) mit dem Sauerstoff auf der anderen Seite zu Wasser, wobei ein (wie großer?) Teil der chemischen Energie der Knallgasreaktion durch den Umweg der Elektronen als elektrische Energie nutzbar wird.
Die so erzeugte elektrische Spannung ist vergleichsweise gering. Daher besteht eine Brennstoffzelle für gewöhnlich aus vielen dicht gepackten Schichten dieser Membranen, wobei sich die Bereiche mit Wasserstoff und Sauerstoff abwechseln.
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von Sir William Grove beschrieben, auf Grund unzureichender Materialien jedoch nicht umgesetzt und geriet in Vergessenheit. Erst in den 1950er Jahren wurden Brennstoffzellen als Nischenlösungen genutzt, vor allem in Raumfahrzeugen und U-Booten.
Mehrere Automobilfirmen (u.a. DaimlerChrysler, Ford, Honda) arbeiten an Autos, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die Brennstoffzellen zur Energieumwandlung sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen.
Die Motivation dazu findet sich wahrscheinlich in der Einsicht, dass die Erdölvorkommen der Erde begrenzt sind, und eine Fortsetzung des lukrativen Autogeschäfts in der "Zeit-nach-dem-Erdöl" wünschenswert ist.
Ein Nebeneffekt ist, dass die Emissionen vom Auto (Zero Emission Vehicle) zu den Stellen verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird.
Als Folge erwartet man eine Verbesserung der Luftqualität in Großstädten.
Die bislang nur ansatzweise gelösten Probleme sind nicht nur, die Größe und das Gewicht der Brennstoffzelle zu reduzieren, sondern auch, geeigneten Treibstoff bzw. eine geeignete Lagerung desselben zu finden.
Wasserstoff selbst ist zwar ein geeigneter Treibstoff; er lässt sich allerdings nur schwer in einer Menge, die ein Auto etwa 500 km weit bringt, kompakt im Auto lagern.
Alle drei Alternativen (Druckflasche, flüssiger Wasserstoff, Metallhydrid) sind bislang nicht ausgereift.
Ein möglicher alternativer Treibstoff ist Methanol, von dem kurz vor Gebrauch der Wasserstoff abkatalysiert wird.
Dieses Verfahren erzeugt jedoch nennenswerte Mengen an CO2, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt.
Für stationäre Anwendungen eignen sich Hochtemperaturbrennstoffzellen.
Siehe auch: Wasserstoff, Ölkrise
Herstellung
Um Wasserstoff erst verwenden zu können, bedarf es der Herstellung aus anderen Energieträgern. Es gibt bei der Herstellung von Wasserstoff einige bereits bekannte Verfahren aus der Chemieindustrie und wiederum speziell für die BSZ neu entwickelte. Dabei hat jede Möglichkeit ihre Vor- und Nachteile, so dass natürlich weiter Forschung nötig ist, um diese zu optimieren und marktfähig zu machen. Es werden nun nachfolgend einige aktuell gebräuchliche Herstellungsarten erläutert.
3.1 Dampfreformierung
Bei diesem Verfahren werden Kohlenwasserstoffe, die in der Natur häufig auftreten und in Form von Erdgasen wie Methan bereits für andere Energiegewinnungsverfahren genutzt werden, in zwei Prozessen vom Wasserstoff getrennt. Diese Art der Wasserstoffgewinnung ist bereits lange erprobt und ausgereift, so dass bereits große Anlagen mit einer Kapazität von 100˙000 m³/h vorhanden sind. Im ersten Schritt wird im Reformer der Kohlenwasserstoff bei einer Temperatur von 800- 900°C und einem Druck von ca. 25bar mit Wasser zur Reaktion gebracht.
Allgemeine Gleichung: CnHm + n H2O => n CO + (n + m/2) H2
Mögliche Gleichung: CH4 + H2O => CO + 3 H2
Das dabei entstandene Kohlenmonoxid (CO) wird nun getrennt und im zweiten Schritt, Shiftreaktion genannt, mit Wasserdampf versetzt. So entsteht nochmals ein Anteil Wasserstoff. Das Gas wird nun gereinigt und die zu 60% brennbaren Restbestandteile wieder zur Verbrennung zum Reformer zurückgeführt, um möglichst effizient zu arbeiten.
Mögliche Gleichung: CO + H2O => CO2 + H2
Das Gas wird nun gereinigt und die zu 60% brennbaren Restbestandteile wieder zur Verbrennung zum Reformer zurückgeführt, um bei der Wasserstoffgewinnung möglichst effizient zu arbeiten.
3.2 Partielle Oxidation
Dieses Verfahren ist technisch auch bereits sehr ausgereift. Hierbei wird Erdgas oder schwerer Kohlenwasserstoff (Heizöl) in einem exothermen Prozess mit Wasser und Sauerstoff versetzt. In einer folgenden Shiftreaktion wird vergleichbar mit der Dampfreformierung das vorhandene Kohlenmonoxid entfernt und das entstehende Gas anschließend einer CO2-Reinigung unterzogen.
mögliche Reaktionsgleichung: 2 CH4 + H2O + O2 => CO + CO2 + 5 H2
In kohlereichen Ländern wie z.B. China oder Südafrika kann als Ausgangsprodukt für dieses Verfahren auch Kohle genutzt werden, die vorher zermahlen und mit Wasser zu einer Suspension vermischt wird.
3.3 Autotherme Reformierung
Diese Art der Reformation, auch Methanolreformierung, ist eine Kombination der Dampfreformation und der partiellen Oxidation, um wesentlich höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Dabei kann sowohl Methanol als auch anderes Erdgas, Benzin oder Diesel verwendet werden. Dies geschieht durch genaue Dosierung der Luft- und Wasserdampfzufuhr bei der exothermen Reaktion, um den Energiehaushalt im Gleichgewicht zu halten. D.h., da im Reformer Energie zugeführt werden muss, kann die entstehende Energie der exothermen Reaktion durch Zurückführung zum Reformator genutzt werden.
3.4 Elektrolyse von Wasser
Diese Form der Umwandlung von Wasser zu Wasserstoff existiert schon seit 80 Jahren und ist wahrscheinlich auf lange Sicht die einzige sinnvolle Variante. Als Beispiel dafür gilt besonders die alkalische Elektrolyse, die durch niedrige Strompreise und häufige Kombination mit Wasserkraftwerken vor allem in Norwegen und Island genutzt wird. Die Reaktion findet in einem mit leitfähigem Elektrolyten (Salze, Säuren, Basen) gefüllten Gefäß statt, in dem sich zwei Elektroden befinden, die mit Gleichstrom betrieben werden. Der Herstellungsprozess läuft dabei in zwei Teilreaktionen ab.
Kathode: 2 H2O + 2 e- => H2 + 2 OH-
Anode: 2 H2O => O2 + 4 H+ + 4 e-
An der Anode werden im Prinzip Elektronen abgegeben und von der Kathode wieder aufgenommen. Diese zwei Teilprozesse ergeben zusammengefasst eine Gesamtreaktion, bei der der „Spaltungsprozess“ sichtbar wird, d.h., dass Wasser in seine zwei Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird.
Gesamtreaktion: 2 H20 => 2 H2 + O2
3.5 Biomasse
Ein weiteres Verfahren ist die Verbindung von Pyrolyse und Vergasung von Biomasse. Die erste Stufe bei der Herstellung ist hierbei die Pyrolyse, bei der als Endprodukte Primärgase (Erdgase), Koks und Methanol entstehen. Diese werden in einem zweiten Teilprozess mit Wasserdampf versetzt und es entsteht wiederum ein Gemisch aus Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und –dioxid. Auch bei diesem zweiten Schritt muss Energie zugeführt werden und es wird anschließend durch Dampfreformation Wasserstoff gewonnen. Bei Verwendung von Biomasse mit hohem Feuchtigkeitsanteil, z.B. Biomüll von Haushalten, kann durch Methangärung 60- 70 %iges Methan erzeugt werden, das in Brennstoffzellen der neuen Generation, z.B. MCFC direkt als Brenngas verwendet werden kann und hohe Wirkungsgrade ermöglicht.
Die bisher vorgestellten Möglichkeiten der Wasserstoffgewinnung benötigen alle zusätzliche Energie und verursachen somit zusätzlichen CO2-Ausstoß bei deren eigener herkömmlicher Gewinnung. Die zwei folgenden Verfahren vermeiden hingegen fast vollständig zusätzlichen CO2-Ausstoß, da sie einen solch hohen Wirkungsgrad haben bzw. sie mit alternativen Energien arbeiten.
3.6 Kværner-Verfahren
Das in Norwegen entwickelt Verfahren trennt Kohlenwasserstoffe in einem Plasmabrenner bei 1600°C vollständig in Aktivkohle (reinen Kohlenstoff) und Wasserstoff.
mögliche Reaktionsgleichung: CH4 => C + 2 H2
Eine 1992 in Kanada erbaute Pilotanlage erreichte nahezu einen Wirkungsgrad von 100%! Dabei ist die Energieverteilung /h wie folgt aufgebaut:
3.7 Grünalgen
Eine weitere Art der schadstofffreien Wasserstoffgewinnung ist mit Grünalgen verwirklicht worden. Da dieser Prozess aber erst vor kurzem entdeckt wurde, ist noch viel Forschungsbedarf notwendig, um höhere Ausbeuten an Wasserstoff zu erlangen. Das Ganze basiert auf dem Enzym „Hydrogenase“. Die Algen spalten mit Hilfe dieses Enzyms Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Zur Energiegewinnung nutzen sie die natürliche Photosynthese unter Einwirkung von Sonne. Dabei ist zu beachten, dass die Algen vorher auf eine Art Schwefeldiät gesetzt werden müssen. Dadurch wird der Stoffwechsel der Algen reduziert und sie produzieren, eine für sich selber nicht mehr verwertbare Energie in Form von Wasserstoff, den sie an die Umwelt abgeben. Eine Forschergruppe aus Bonn beschäftigt sich seit längerem mit diesem Phänomen und war bereits in der Lage durch Genmanipulation der Algen die Wasserstoffabgabe zu verdreifachen. Die Forscher sind optimistisch diesen Effekt durch weitere Untersuchungen nutzbar zu machen und in der Zukunft beispielsweise „biochemische Batterien“ zu erzeugen.
Funktionsprinzip
Geschichte
Neue Anwendungen
Weblinks
(zufügung aus "Brennstoffzellen")
3 Herstellung, Speicherung und Vertrieb von Wasserstoff
