Inhaltsübersicht
- Was ist eine Wasserstoff Brennstoffzelle?
- Wie funktioniert eine Wasserstoff Brennstoffzelle?
- Wasserstoff Brennstoffzellen Technologien
- Arten von Wasserstoff als Kraftstoff
- Wasserstoff Brennstoffzellensysteme
- Konstruktionsprinzipien für ein Wasserstoff Brennstoffzellensystem
- Können Wasserstoff Brennstoffzellen bidirektional eingesetzt werden?
- Vor- und Nachteile von Wasserstoff Brennstoffzellen
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Was ist eine Wasserstoff Brennstoffzelle?
In wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen wird durch die Reaktion von Wasserstoffgas mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft Strom erzeugt.
Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie steht heute an der Spitze der Brennstoffzellenentwicklung. Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen sind heute der am häufigsten verwendete Brennstoffzellentyp. Wasserstoff ist der am einfachsten zu verwendende Kraftstoff. In verflüssigtem Zustand hat Wasserstoff eine hohe Energiedichte. Wasserstoff verbrennt sauber zu Wasserdampf und bietet damit die Möglichkeit, sich vollständig von einem auf Kohlenstoff basierenden Energieerzeugungskreislauf zu lösen.
Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten also mehrere Vorteile, die sie zu einem wichtigen Bestandteil des Übergangs zu einem nachhaltigeren Energiesystem machen.
- Erstens bietet eine Wasserstoff Brennstoffzelle eine saubere und effiziente Energiequelle. Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen Strom durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, wobei das einzige Nebenprodukt Wasser ist. Dies macht sie zu einer kohlenstoffarmen und umweltfreundlichen Alternative zu herkömmlichen fossilen Energiequellen.
- Zweitens sind Wasserstoff-Brennstoffzellen sehr vielseitig und können in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden. Sie können sowohl für den Antrieb von Fahrzeugen als auch für die Stromversorgung von Häusern, Unternehmen und anderen Infrastrukturen verwendet werden. Dies macht sie zu einem potenziell wichtigen Bestandteil des Übergangs zu einem nachhaltigeren Energiesystem.
Wie funktioniert eine Wasserstoff Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle erzeugt Strom und Prozesswärme aus dem ihr zugeführten Brennstoff. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle besteht in ihrer einfachsten Form aus zwei Elektroden: einer negativen Elektrode (oder Anode) und einer positiven Elektrode (oder Kathode). Diese beiden Elektroden sind von einem Elektrolyt umgeben. Der Anode wird Wasserstoff als Brennstoff zugeführt, der Kathode wird sauerstoffhaltige Luft (das “Oxidationsmittel”) zugeführt. In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle trennt ein Katalysator an der Anode die Wasserstoffmoleküle in Protonen und Elektronen, die unterschiedliche Wege zur Kathode nehmen. Die Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis und erzeugen einen Stromfluss. Die Protonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode, wo sie sich mit Sauerstoff und den Elektronen verbinden und Wasser und Wärme erzeugen.
Wasserstoff Brennstoffzellen Technologien
Es gibt mehrere verschiedene Brennstoffzellentechnologien, und nicht alle verwenden Wasserstoff als Brennstoff. Einige verwenden andere Kraftstoffe wie Erdgas oder Methanol. Aufgrund seiner hohen Energiedichte und seiner sauberen Verbrennung ist Wasserstoff heute jedoch der am häufigsten in Brennstoffzellen verwendete Brennstoff. Einige Beispiele für Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologien sind:
- Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM): Verwendet Wasserstoff
- Festoxid-Brennstoffzellen: Können Wasserstoff, Erdgas oder andere Brennstoffe verwenden
- Phosphorsäure-Brennstoffzellen: Verwendet Wasserstoff
- Alkalische Brennstoffzellen: Verwendet Wasserstoff oder andere Brennstoffe wie Methanol oder Ethanol
- Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat: Können Wasserstoff, Erdgas oder andere Brennstoffe verwenden
- Direkt-Methanol-Brennstoffzellen: Verwendet Methanol als Brennstoff
- Regenerative Brennstoffzellen: Können Wasserstoff, Erdgas oder andere Brennstoffe verwenden
Beispiel: Prüfung und Validierung von Wasserstoff Brennstoffzellen
Arten von Wasserstoff als Kraftstoff
Es gibt auch verschiedene Arten von Wasserstoff, die als Kraftstoff verwendet werden können.
- Komprimiertes Wasserstoffgas
- Flüssiger Wasserstoff
- Hydrid
Zu den führenden Taxonomien für Wasserstoff gehören
- Erneuerbarer Wasserstoff, auch “grüner Wasserstoff” genannt, der aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- oder Windenergie gewonnen wird.
- Grauer Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas hergestellt wird.
- Blauer Wasserstoff, der aus Erdgas mit Hilfe der CCS-Technologie (Carbon Capture and Storage) hergestellt wird.
Wasserstoff Brennstoffzellensysteme
Ein Wasserstoffsystem umfasst die Infrastruktur und die Ausrüstung, die zur Herstellung, Speicherung und Verteilung von Wasserstoffgas erforderlich sind. Dazu können Wasserstoffproduktionsanlagen, Pipelines und Lagertanks gehören.
Ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem hingegen bezieht sich auf die Ausrüstung, die zur Umwandlung von Wasserstoff in Elektrizität verwendet wird. Dazu können Brennstoffzellen, Wechselrichter und andere elektrische Komponenten gehören.
Wasserstoff-Brennstoffzellen können in einer Vielzahl von Systemkonfigurationen zur Erzeugung von Strom und Wasserstoff eingesetzt werden. Hier finden Sie einen kurzen Überblick über die verschiedenen Systemeinstellungen:
| System einrichten | Beschreibung |
| Elektrolyse | Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Elektrizität hergestellt. Der entstehende Wasserstoff kann dann als Kraftstoff verwendet oder für eine spätere Verwendung gespeichert werden. |
| Brennstoffzelle | In einer Brennstoffzelle wird Wasserstoff mit Sauerstoff umgesetzt, um Strom und Wasser zu erzeugen. |
| Hybride | Eine Kombination aus einem Elektrolysesystem und einem Brennstoffzellensystem, bei dem überschüssiger Strom zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt wird und der Wasserstoff dann in der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verwendet wird, wenn er benötigt wird. |
Konstruktionsprinzipien für ein Wasserstoff Brennstoffzellensystem
Bei der Entwicklung und Herstellung eines hocheffizienten Wasserstoff-Brennstoffzellensystems, das Strom erzeugt, sind einige wichtige Konstruktionsprinzipien zu beachten:
- Verwendung von hochwertigen Materialien: Brennstoffzellen benötigen hochwertige Materialien, um effektiv zu funktionieren. Dazu gehört die Verwendung von Materialien, die korrosionsbeständig sind und hohen Temperaturen standhalten können.
- Kontrolle der Betriebsbedingungen: Brennstoffzellen funktionieren am besten innerhalb eines bestimmten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereichs. Es ist wichtig, das System so zu gestalten, dass es diese Betriebsbedingungen kontrolliert, um die Leistung zu optimieren.
- Effiziente Nutzung des Wasserstoffs: Brennstoffzellen sind am effizientesten, wenn sie unter Volllast arbeiten. Daher ist es wichtig, das System so zu gestalten, dass der gesamte verfügbare Wasserstoff genutzt wird.
- Minimierung von Energieverlusten: Energieverluste können aufgrund von Faktoren wie Wärmeübertragung und elektrischem Widerstand auftreten. Um den Wirkungsgrad von Wasserstoff-Brennstoffzellen zu maximieren, ist es wichtig, das System so zu gestalten, dass solche Verluste minimiert werden.
Können Wasserstoff Brennstoffzellen bidirektional eingesetzt werden?
Es ist möglich, einen Brennstoffzellenstack sowohl für die Wasserstoffproduktion als auch für die Stromerzeugung zu verwenden. Im Grunde genommen ist dies vergleichbar mit der Verwendung eines Motors in umgekehrter Richtung, als Generator.
- Die bidirektionale Nutzung wird in der Regel durch den Einsatz eines Hybridsystems erreicht, das ein Elektrolysesystem mit einem Brennstoffzellensystem kombiniert.
- In einem Hybridsystem wird überschüssiger Strom verwendet, um durch Elektrolyse von Wasser Wasserstoff zu erzeugen, der später in der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verwendet werden kann.
Es gibt mehrere Gründe, warum die meisten Brennstoffzellensysteme derzeit nur für einen Zweck ausgelegt sind, z. B. für die Wasserstoffproduktion oder die Stromerzeugung.
- Ein Grund dafür ist, dass jede Anwendung spezifische Anforderungen hat, die erfüllt werden müssen, damit das System effektiv funktioniert. So können beispielsweise Wasserstofferzeugungssysteme einen hohen Reinheitsgrad des erzeugten Wasserstoffgases erfordern, während Stromerzeugungssysteme eine hohe Leistungsabgabe verlangen können.
- Außerdem sind einige Wasserstoff Brennstoffzellentechnologien für eine bestimmte Anwendung besser geeignet als für eine andere. So sind einige Brennstoffzellentechnologien effizienter bei der Wasserstofferzeugung, während andere effizienter bei der Stromerzeugung sind.
Insgesamt hängt die Wahl des Systemaufbaus (z. B. Elektrolyse, Brennstoffzelle oder Hybrid) und der eingesetzten Brennstoffzellentechnologie von den spezifischen Anforderungen der Anwendung und der gewünschten Leistung des Systems ab.
Vor- und Nachteile von Wasserstoff Brennstoffzellen
Vorteil: Hohe Energiedichte verbessert die Produktivität
Wasserstoff Brennstoffzellen erzeugen im Betrieb keine Kohlendioxid-Emissionen. Dies gilt selbst dann, wenn die Herstellung der Wasserstoff Brennstoffzelle oder des Wasserstoffkraftstoffs heute noch nicht kohlenstofffrei erfolgt.
Speziell für Wasserstoffmobilitätslösungen bedeutet der kohlenstofffreie Betrieb einen Vorteil gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, die – abgesehen von Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre – geringe Mengen giftigen Kohlenmonoxids ausstoßen können.
Der Betankungsvorgang für Wasserstoff Brennstoffzellen ist einfach und dauert etwa drei Minuten, eine Leistung, die mit der von Verbrennungsmotoren vergleichbar ist. Stationäre Anwendungen könnten durch einen ständigen Strom von Wasserstoff aus Pipelinesystemen versorgt werden. Im Vergleich dazu ist das Aufladen von Batterien heute noch ein wesentlich längerer und komplexerer Prozess.
Die hohe Energiedichte von Wasserstoff als Kraftstoff in verflüssigtem Zustand bietet einen Vorteil gegenüber anderen Kraftstoffarten. Die Betankungsintervalle verkürzen sich daher bei gleichem Gewicht des mitgeführten Kraftstoffs.
Der Vorteil: Möglichkeit, bei der Herstellung von Wasserstoffkraftstoff auf die Verwendung fossiler Brennstoffe zu verzichten
Es ist möglich und machbar, Wasserstoff durch Elektrolyse zu erzeugen, indem man ihn aus Wasser extrahiert und mit Hilfe von elektrischem Strom vom Sauerstoffmolekül trennt.
Der für dieses Verfahren verwendete elektrische Strom kann aus einer beliebigen Quelle stammen. Ein wirklich kohlenstofffreier Weg zur Nutzung von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist die Verwendung von Sonnen-, Wind- oder anderen erneuerbaren Energien zur Erzeugung von Strom für den Prozess der Wasserstoff-Elektrolyse.
Der Vorteil: Grüner Wasserstoff macht die zentrale Lagerung und den Transport von Kraftstoffen überflüssig
Wasserstoff kann entweder als Gas in Hochdrucktanks oder als Flüssigkeit bei kryogenen Temperaturen gelagert werden. Auf den ersten Blick sind alle Methoden der Wasserstoffspeicherung mit einem inhärenten Energieverlust verbunden. Für die Komprimierung des Wasserstoffs werden etwa 13 % des gesamten Energiegehalts des Wasserstoffs selbst benötigt, und bei der Verflüssigung belaufen sich diese theoretischen Verluste auf ca. 40%.
Wenn jedoch grüner Wasserstoff verwendet wird, können Produktion, Speicherung und Abgabe von Wasserstoffkraftstoff wirklich dezentralisiert werden. Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen entfällt der Bedarf an großtechnischen Raffinerien, großen Speicheranlagen und aufwendigen Fernleitungsnetzen, da Wasserstoff an ein und demselben Ort erzeugt, zwischengespeichert und kurz nach der Erzeugung abgegeben werden kann.
Sicherheit in der Handhabung und anspruchsvolle Materialien erforderlich – Nachteil oder Vorteil?
Wasserstoffgas ist hochentzündlich und kann leicht aus dem Sicherheitsbehälter entweichen. Wenn Wasserstoffgas entweicht, kann es Metalle korrodieren. Dies wiederum kann dazu führen, dass diese kontaminierten Metalle spröde und bruchanfällig werden, was ein Sicherheitsrisiko im Hinblick auf Metallermüdung darstellt.
Dieser vermeintliche Nachteil untermauert jedoch nur das Argument für eine dezentrale grüne Wasserstoffwirtschaft, die eine langfristige Lagerung und den Transport von Kraftstoff über weite Strecken überflüssig machen würde. Denn auch fossile Brennstoffe sind leicht entzündlich – und die meisten Unfälle mit diesem Faktor ereignen sich bei der langfristigen Lagerung und beim Transport des Brennstoffs zum Endabnehmer über ausgeklügelte, grenzüberschreitende Pipeline- und Liefernetze. Das Gleiche gilt für die Umweltauswirkungen von Katastrophen, die sich innerhalb dieser Infrastruktur ereignen und die in einer dezentralen grünen Wasserstoffwirtschaft völlig ausgeschlossen wären.
Effizienz von Brennstoffzellen – Nachteil oder Vorteil?
Wasserstoff Brennstoffzellen sind an und für sich energieeffizienter als Verbrennungsmotoren. Und obwohl Lithium-Ionen-Batterien beispielsweise eine der leistungsfähigsten Energiequellen für Mobilitätslösungen sind, muss die Energie, die für die Erzeugung von Wasserstoffkraftstoff oder das Aufladen einer Batterie benötigt wird, berücksichtigt werden – und mit der Energie verglichen werden, die für die Herstellung und Bereitstellung der heute noch vorherrschenden fossilen Brennstoffe erforderlich ist.
Was den “Tank-to-Wheels”-Wirkungsgrad anbelangt, so kann der Wirkungsgrad von Wasserstoff-Brennstoffzellen bis zu 60 % betragen. Im Vergleich dazu haben typische Benzinverbrennungsmotoren einen Wirkungsgrad von 20-30 %, während ein Dieselmotor einen Wirkungsgrad von bis zu 46 % erreicht. Lithium-Ionen-Batterien bieten mit 99 % einen der höchsten Wirkungsgrade.
Diese Werte berücksichtigen jedoch nicht die Verluste von der Produktion bis zur Nutzung. Berücksichtigt man die Verluste, die bei der Bereitstellung des Brennstoffs mit einer bestimmten Energiedichte entstehen, so wird die Quelle und die Produktionsmethode des Wasserstoffs, d. h. “grüner”, “grauer” oder “blauer” Wasserstoff, zum wichtigsten Faktor bei der Bestimmung der Gesamteffizienz der Wasserstoff Brennstoffzellentechnologie.
Letzte Aktualisierung: 15.02.2023