Wasserstoff und Brennstoffzellen

Energie der/mit Zukunft?

Schüler:

Michelle Bungenberg, Anna Disenko,

Maximilian Gille, Lena Kilian,

Oliver Küchler, David Müller,

Annike Rosarius, Tobias Vomberg, Michelle Werres

betreuender Lehrer:

Lothar Schäkel

Rurtal-Gymnasium Düren

Bismarckstraße 17

52351 Düren Düren, den 30.05.2011

Inhaltsverzeichnis:

1. Einleitung ...................................................................................................................................... 3

2. Die Geschichte der Brennstoffzelle .............................................................................................. 3

3. Arten von Brennstoffzellen ........................................................................................................... 4

3.1 Die Alkalische Brennstoffzelle (AFC) ........................................................................................... 4

3.2 Die Phosphorsäurebrennstoffzelle (PAFC) .................................................................................... 4

3.3 Die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) .............................................................................................. 5

3.4 Funktion einer PEM-Brennstoffzelle ............................................................................................. 5

3.5 Funktion der PEM- Brennstoffzelle: .............................................................................................. 6

3.6 Die Direkt Methanol Brennstoffzelle (DMFC) .............................................................................. 6

4. Anwendungen der Brennstoffzellen ............................................................................................. 8

4.1 Energieautarke Systeme ................................................................................................................. 8

4.2 Fahrzeugantrieb .............................................................................................................................. 8

4.3 Mobile Anwendung ...................................................................................................................... 10

4.4 Stationäre Anwendung ................................................................................................................. 10

5. Wasserstoffwirtschaft (in Deutschland) ...................................................................................... 11

5.1 Infrastruktur .................................................................................................................................. 12

5.2 Infrastruktur- und Energiekosten ................................................................................................. 13

6. Sicherheit der Brennstoffzellen ................................................................................................... 13

7. Zukunft der Brennstoffzellen ...................................................................................................... 16

7.1 Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle ....................................................................................... 16

7.2 Die Rolle der Brennstoffzellen in der Zukunft? ........................................................................... 16

8. Fazit ................................................................................................................................................ 17

9. Quellen: .......................................................................................................................................... 17

10. Dank ............................................................................................................................................. 17

1. Einleitung

Das Thema der Brennstoffzellentechnik und die Gewinnung von Wasserstoff haben in der Tagespo-

litik zur Zeit einen hohen Aktualitätsgrad, da die Politik sich intensiv mit der Umstellung zu regene-

rativen Energieformen auseinandersetzt.

Die Brennstoffzellen sind ein Schritt in die Zukunft. Schon heute findet man eine große Zahl von,

mit Brennstoffzellen betriebenen Automobilen. Ab 2013 möchte der große Automobilkonzern

Daimler diese Nutzung ausweiten, jedoch gibt es noch keine Lösung für das Problem der Wasser-

stoff-Infrastruktur.

Die Brennstoffzellen sind in verschiedenen Anwendungsfeldern vertreten.

Sie werden im Folgenden näher erläutert.

2. Die Geschichte der Brennstoffzelle

1839:

-William Robert Grove (Jurist &

Physiker) produziert den ersten

funktionsfähigen Prototypen der

Brennstoffzelle (s.Abb.).

-Sie besteht aus zwei Platinelekt-

roden in Glaszylindern (eine mit

O2, die andere mit H2).

-Schwefelsäure als Elektrolyt

schafft die elektrische Verbindung

zwischen den Elektroden.

-Um eine höhere Spannung zu erreichen schaltet Grove mehrere Zellen hintereinander (s.Abb.).

50er Jahre

-alkalische Brennstoffzellen werden in Raumfahrt- und Militärbereich genutzt, da dort keine Ver-

brennungsmotoren eingesetzt werden können.

90er Jahre

-Wissenschaftler und Ingenieure entwickeln neue Technologien, um die Leistungsfähigkeit zu stei-

gern und Kosten zu senken

Die letzten Jahre:

-Zivile Nutzung der Brennstoffzellen.

3. Arten von Brennstoffzellen

Aktuell gibt es reichlich nennenswerte Typen von Brennstoffzellen, da sie durch die steigende

Nachfrage an effizienter Energiegewinnung immer mehr Zuspruch finden. Ihre Entwicklung hat in

den letzten zehn Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und so sind immer mehr verschiedene Ty-

pen von Brennstoffzellen entwickelt worden, die nicht mehr, wie zu Anfang, nur aus zwei Platin-

drähten, in Schwefelsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff, bestehen. Besonders nennenswert sind

dabei die Alkalische Brennstoffzelle, die Phosphorsäurebrennstoffzelle und die Festoxidbrennstoff-

zelle. Diese drei Brennstoffzellentypen werden hier jetzt näher erklärt.

3.1 Die Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Die AFC ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle. Sie erhielt ihren Namen daher, da die als

Elektrolyt verwendeten Lösungen alkalisch sind. Als Brenngas dient Wasserstoff an der Anode, der

durch Oxidation mit reinem Sauerstoff an der Kathode umgesetzt wird. An der Anode entsteht da-

bei als Reaktionsprodukt Wasser, das ständig abgeführt werden muss. Dieser Zellentyp wird bei

60 – 120 °C betrieben.

Die Alkalische Brennstoffzelle wird in der bemannten Raumfahrt eingesetzt, zum Beispiel schon

bei den Apollo-Raumschiffen. Die deutsche Marine hat die AFC in der neuen Baureihe von U-

Booten im Einsatz, wo sie, ähnlich wie bei einem Hybridmotor, über eine Fahrbatterie den Motor

antreiben.

Die Vorteile einer AFC sind ein robustes System, ein gutes dynamisches Verhalten und preiswerte

Katalysatoren (Nickel, Silber).

Die Nachteile sind die Empfindlichkeit gegen Verschmutzungen, insbesondere durch CO2 und die

niedrige Lebensdauer, bedingt durch den korrosiven Elektrolyten.

3.2 Die Phosphorsäurebrennstoffzelle (PAFC)

die PAFC ist eine Mitteltemperatur-Brennstoffzelle. Der Unterschied zwischen ihr und anderen

Brennstoffzellen ist, dass sie mit Phosphorsäure als Elektrolyt arbeitet. Diese Brennstoffzelle pro-

duziert Strom durch die Oxidation eines Brenngases (Wasserstoff). Als Oxidationsmittel kann Luft

oder reiner Sauerstoff eingesetzt werden. Reingase sind nicht nötig. Die Phosphorsäurebrennstoff-

zelle arbeitet in einem Temperaturbereich von 135 – 200°C.

Die Phosphorsäurebrennstoffzelle wird in Kraftwerken eingesetzt. Ihr zentraler Einsatzbereich liegt

jedoch in Heizkraftwerken.

Die Vorteile einer PAFC sind die Robustheit, die erhöhte Toleranz gegenüber Verschmutzungen

des Brenngases, die Verwendbarkeit von Luft auf der Kathodenseite (kein Reingas erforderlich),

das gute dynamische Verhalten und die CO2 -Toleranz.

Die Nachteile sind die geringe Leistungsdichte und die niedrige Lebensdauer (bedingt durch den

äußerst aggressiven Elektrolyten).

3.3 Die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC)

Die SOFC ist eine Hochtemperatur-

Brennstoffzelle, die bei einer Betriebs-

temperatur von 650–1000°Celsius be-

trieben wird. Der Elektrolyt dieses

Zelltyps besteht aus einem festen ke-

ramischen Werkstoff, der in der Lage

ist, Sauerstoffionen zu leiten, für Elekt-

ronen jedoch isolierend wirkt. Auf der

Seite der Kathode benötigt die SOFC

Sauerstoff und produziert an der Anode

Wasser und/oder CO2.

Langfristig soll diese Brennstoffzelle zur dezentralen Energieversorgung eingesetzt werden. Einige

Pilotprojekte erreichten einen Wirkungsgrad von über 50%.

Die Vorteile einer solchen Brennstoffzelle ist die Tatsache, dass sie direkt mit Biogas betrieben

werden können, denn durch die Ablaufende Reaktion wird elektrische Energie in Wärme produ-

ziert.

Der Nachteil solcher Brennstoffzellen besteht in ihrer kostenintensiven und sehr aufwendigen,

kaum realisierbaren Herstellung. Zudem ist der Wirkungsgrad nicht immer so hoch wie gewünscht.

3.4 Funktion einer PEM-Brennstoffzelle

Vorweg ein paar Erklärungen:

Atome bestehen normalerweise aus Elektronen, Neutronen und Protonen. Der Atomkern besteht aus

Neutronen und Protonen und ist umgeben von Elektronen. Wasserstoff ist eine Ausnahme, der

Wasserstoffatomkern besteht nur aus einem Proton (positiv geladen) und ist nur von einem Elektron

(negativ geladen) umgeben.

Atome sind neutral, das bedeutet, dass der Betrag von negativen Ladungen genauso groß ist, wie

der Betrag von den positiven Ladungen.

Ein Katalysator beschleunigt einen chemischen Vorgang und

liegt nach dem Vorgang unverändert vor. Anode und Kathode in

Brennstoffzellen sind Elektroden mit einer Katalysatorbeschich-

tung aus Platin. Die Membran ist eine dünne, protonenleitende

Kunststofffolie. Der Elektrolyt ist die Feuchtigkeit mit eingela-

gerten Salzen, die die Protonen durch die Membran leiten.

Die Brennstoffzelle besteht aus einer Anode (links) einer

Membran (Mitte) und einer Kathode (rechts) und einem Ver-

braucher (z.B. eine Lampe). Anode und Kathode dienen als Ka-

talysator. Die Membran besteht aus einem Protonen leitendem

Material, z.B. einer Kunststofffolie. Die Membran ist von einem

Elektrolyt (Trennschicht) umgeben. Dieser Elektrolyt grenzt Anode und Kathode von der Membran

ab. Sie protonenleitend aber gasundurchlässig sein, damit es nicht zu einer Bildung von Knallgas

kommt. Als Elektrolyt dienen in den verschiedenen Brennstoffzellentypen jeweils unterschiedliche

Stoffe. Manche Elektrolyten sind flüssig, andere sind fest und haben eine Membran-Struktur.

Prinzipbild eines Stacks. Die Bipolarplatte (dunkelblau)

trennt die einzelnen Zellen elektrisch voneinander. Ein

Stack ist eine Reihenschaltung einzelner Zellen.

Da eine einzelne Zelle nur eine sehr geringe Spannung

erzeugt, werden je nach benötigter Spannung einzelne Zel-

len aufeinander gestapelt. Solch ein Stapel nennt sich

"Stack".

3.5 Funktion der PEM- Brennstoffzelle:

Wasserstoff wird an die Anode geleitet. Dort wird er in seine Bestandteile gespalten (Elektronen e-

und Protonen H+). Die Protonen gelangen direkt über dem Elektrolyt in die Membran. Sie fließen

durch die Membran zur Kathode. An der Kathode reagieren

die Protonen und die Elektronen mit dem an der Kathode

zugeführten Sauerstoff zu Wasser. Dort hat eine chemische

Reaktion stattgefunden (Oxidation).

Die Elektronen fließen direkt von der Anode zur Kathode.

Durch den Mangel von Elektronen an der Kathode fließen sie

zur Kathode. Die Elektronen wollen wieder neutral werden.

Dazu müssen sie mit einem Proton reagieren. Die positive

Ladung muss genau den gleichen Betrag haben, wie die ne-

gative Ladung der Elektronen.

Wenn man von Strom spricht, bedeutet es, dass Elektronen fließen. So kann man zwischen Anode

und Kathode einen Verbraucher anschließen, da dort die Elektronen fließen. An der Kathode reagie-

ren Elektronen und H+-Teilchen zu Wasserstoff. Der Wasserstoff reagiert mit dem zugeführten

Sauerstoff zu Wasser, welches als Reststoff abgeführt wird.

3.6 Die Direkt Methanol Brennstoffzelle (DMFC)

Die DMFC ist im Prinzip eine modifizierte PEM-Brennstoffzelle, die jedoch als Brennstoff anstelle

von Wasserstoffgas ein Methanol-Wassergemisch verwendet. Das heißt, die DMFC wandelt direkt

ohne den Umweg über einen Reformer - der Methanol in Wasserstoff konvertiert - die chemische

Energie des Methanols in elektrische Energie um.

Auch bei der DMFC besteht der Elektrolyt aus einer protonendurchlässigen Membran, auf die beid-

seitig ein Katalysatormetall (meist ein Platin-Ruthenium-Gemisch) aufgetragen ist. Und auch die

DMFC arbeitet bei niedrigen Temperaturen unter 100°C.

Was die DMFC für den automobilen Sektor darüber hinaus so attraktiv macht, ist die Tatsache, dass

sie viel weniger Platz benötigt und viel billiger und weniger komplex ist als ein Antriebssystem, das

aus PEM-Brennstoffzellen und einem Methanolreformer besteht. Der Wegfall eines Reformers im

Fahrzeug bringt ein geringeres Gesamtgewicht, ein geringeres Systemvolumen, eine einfachere Be-

triebsweise mit schnellerem Ansprechverhalten, bessere Dynamik und geringere Investitions- und

Betriebskosten mit sich. Also im Prinzip alles, was die Ingenieure erreichen wollen.

Jedoch ist die DMFC bisher noch im Entwicklungsstadium, da gewisse Probleme noch nicht gelöst

sind. So wandern bisher immer noch Methanol-Moleküle direkt durch die PEM hindurch

(Permeation genannt), was zu Brennstoffverlust, einer Verunreinigung an der Kathode und damit

resultierend einer reduzierten Spannung führt. Man sucht daher verstärkt nach neuen Kunststoffen

für die PEM, die eine geringere Permeabilität aufweisen. Ein weiteres Problem ist die Bildung von

giftigem Kohlenstoffmonoxid (CO) an der Anode, das die Katalysatoren angreift und die Ge-

schwindigkeit (Kinematik) der Methanoloxidation herabsetzt.

Auf der Anodenseite strömt ein Gemisch aus

Methanol und Wasser an die PEM. An der

Katalysatorschicht wird der im Methanol

(CH3OH) bzw. im Wasser (H2O) gebundene

Wasserstoff abgetrennt und in Protonen und

Elektronen zerlegt. Wie auch bei der PEM-

Brennstoffzelle können die Wasserstoffionen

durch die PEM hindurch wandern, während

die Elektronen auf der Anodenseite bleiben.

Es kommt also zu einem Elektronenmangel

(+) auf der Kathodenseite und einem Elektro-

nenüberschuss (-) an der Anodenseite. Um

einen Ladungsausgleich zu erreichen, wandern

die Elektronen daher ebenso wie bei der PEM-

Brennstoffzelle über einen äußeren Stromkreis zur Kathode und erzeugen somit einen elektrischen

Strom, der von einem Verbraucher genutzt werden kann.

Auf der Anodenseite reagieren die verbleibenden Sauerstoff-Atome des Wassers mit den Sauer-

stoff- und Kohlenstoff-Atomen des Methanols zu Kohlendioxid (CO2). Die Wasserstoffionen, die

durch die PEM gewandert sind, reagieren auf der Kathodenseite mit den Elektronen und dem Sau-

erstoff zu Wasser. Damit laufen also folgende chemischen Reaktionen in der DMFC ab:

Anodenreaktion: CH3OH + H2O -----> CO2 + 6 H+ + 6 e

-

Kathodenreaktion: 1,5 O2 + 6 H+ + 6 e

- -----> 3 H2O

Gesamtreaktion: CH3OH + 1,5 O2 -----> CO2 + 2 H2O

4. Anwendungen der Brennstoffzellen

4.1 Energieautarke Systeme

In diesem Bereich sind meist alkalische

Brennstoffzellen (AFC) vertreten, da die

Effizienz für diese jeweiligen Einsatzberei-

che von großer Bedeutung ist. Die Brenn-

stoffzellen werden für Unterwasser-

Anwendungen und für die Raumfahrt einge-

setzt. Die Anwendung der Brennstoffzellen

in diesem Bereich ist damit zu begründen,

dass die AFC konzentrierte Kalilauge ver-

wenden, sodass sie in einem weiten Tempe-

raturbereich von 20°C bis 90°C betrieben werden können. Zudem eignet sich die alkalische Brenn-

stoffzelle im Leistungsbereich bis 100kW. Sie ist die Brennstoffzelle mit dem höchsten Wirkungs-

grad. Sie machen die Boote sehr leise. In neu-

en U-Booten werden Polymermembran-

Brennstoffzellen eingesetzt.

Die amerikanischen Spaceshuttle verwenden

Brennstoffzellen mit einer maximalen Dauer-

leistung von 3 x7 kW um die Raumson-

de(Orbiter) mit genügend Strom versorgen zu

können.

Zum Antrieb der modernen deutschen U-

Boote der Klasse 212 A werden Brennstoffzel-

len eingesetzt.

4.2 Fahrzeugantrieb

Dem im November 2000 vorgestellten „New Eletric CAR“(Necar 5) von Daimler-Chrysler folgten

immer mehr Pläne zur Umrüstung der Automobile. Die PEM-Brennstoffzelle ist für diesen Bereich

am besten geeignet, da diese eine hohe Leistungsdichte hat und das hohe Kostensenkungspotenzial

ihr einen weiteren Vorteil verschafft. Die Energieträger sind Wasserstoff oder Methanol. Das Au-

tomobil „Necar 5“ nutzt Methanol, welches über einen Reformer den Wasserstoff liefert. Die

DMFC arbeitet schon bei Temperaturen von 90-120°C. Mit ihr kann Alkohol direkt umgesetzt wer-

den. Jedoch ist zu beachten, dass sich diese Brennstoffzelle noch im Laborstatus befindet und somit

der Preis für eine Serienproduktion zu hoch ist. Im Bereich des öffentlichen Personennahverkehrs

könnte dies bereits zu einem früheren Zeitpunkt realisiert werden.

Um das Ziel eines emissionsfreien Antriebs zu finden verfolgen die Automobilhersteller zwei ver-

schiedene Konzepte.

Der Automobilkonzern BMW

setzt auf eine direkte Verbren-

nung des Wasserstoffs in ei-

nem Verbrennungsmotor, an-

dere Hersteller wie Daimler-

Chrysler, GM, Ford und Toyo-

ta lassen durch eine Brenn-

stoffzelle Strom für einen

Elektroantrieb produzieren.

Bislang werden herkömmliche

Motoren für den Betreib mit

H2 sehr selten umgerüstet.

Dies ist weniger aufwendig,

schneller umzusetzen und

billiger für den Verbraucher,

als komplett neue Autos mit

Brennstoffzellenantrieb auf den Markt zu bringen. In einem Übergang von mehreren Jahren kann

die Zeit dann genutzt werden, um die Brennstoffzellentechnik auszureifen und sukzessive ein

ausreichendes Tankstellennetz aufzubauen.

Im Moment werden ausgesuchte Linien des regionalen Personenverkehrs mit Fahrzeugen mit

Wasserstoffantrieb getestet. Eine Tankstelle reicht für die betriebene Fahrzeugflotte. Zum Beispiel

die Flughafenzubringerbusse für den Flughafen in München.

Vor-und Nachteile der Verwendung von Brennstoffzellen im Fahrzeugantrieb

Vorteile Nachteile

keine Emission von Kohlenstoffdioxid

Entwicklungspotenzial bezüglich Optimierung der Ver-

brennung und Senkung des Verbrauchs

Möglichkeit des bivalenten Motorkonzepts (Benzin-

oder Wasserstoffverbrennung)

Weitgehende Beibehaltung des Fahrverhaltens eines

konventionell betriebenen Fahrzeugs durch prinzipiell

gleiche Antriebstechnik

Möglichkeit des wirtschaftlich und technisch vertretba-

ren Umbaus konventioneller Fahrzeuge (lediglich Än-

derung des Treibstoffsystems und geringe Motormodifi-

kationen)

Möglichkeit der Nutzung elektronischer Zusatzgeräte

auch ohne laufenden Motor durch Verwendung einer

Brennstoffzelle als Stromversorger aufgrund des sich

schon im Fahrzeug befindlichen Wasserstoffspeichers

geringer Gesamtwirkungsgrad

wie der konventioneller Fahr-

zeuge

aufwendige Wasserstoffspei-

chertechnik

derzeit noch nicht vorhandene

Infrastruktur für Wasserstoff-

tankstellen

Verlust an Stauraum

Kleine Tanks / geringe Reich-

weite

Sicheres Tanken erfordert Tank-

roboter

fehlendes Tankstellennetz

4.3 Mobile Anwendung

Camcorder, sowie Handys und Laptop-Computer sollen in Zukunft ebenfalls von Energie aus

Brennstoffzellen versorgt werden und somit eine Alternative zu den wiederaufladbaren Akkus bil-

den.

Vorteile Nachteile

höhere Kapazitäten

große Vorteile bei der Markteinführung

Miniaturisierung der Systemkomponenten

fällt noch schwer

benötigt einen stabilen Speicherraum für den

Wasserstoff

Die japanische Mobilfunkfirma NTT Docomo hat das

erste Handy mit Brennstoffzelle vorgestellt.

Auch in der Luftfahrt versucht man die Brennstoffzelle als

Backup-System für die Bordversorgung einzusetzen. Das

geringe Gewicht und die Funktion auch bei abgeschalteter

Turbine rechtfertigen den teuren Einsatz.

4.4 Stationäre Anwendung

Brennstoff-

zellen erzeugen neben Strom auch Wärme und eignen

sich daher grundsätzlich als zentrale Energieerzeuger

für Ein- und Mehrfamilien-Wohnhäuser, Schulen,

Verwaltungsgebäude oder Gewerbebetriebe. Brenn-

stoffzellen zur Strom- und Wärmeerzeugung werden

derzeit von dem Schweizer Hersteller Sulzer Hexis in

400 Haushalten getestet. Die mit Erdgas betriebenen

Anlagen sind dafür ausgelegt, den Grundbedarf an

Strom und Wärme abzudecken.

In Deutschland ist das Unternehmen Vaillant auf dem

Gebiet der Brennstoffzellentechnik aktiv.

Vor-und Nachteile der stationären Anwendung

Vorteile Nachteile

sehr flexibel in Bezug auf die angebotenen Leis-

tungsgrößen

geringe Emissionen

Bei Nachfragespitzen sorgt ein Gas-Spitzenkessel

für zusätzliche Wärme bzw. Strom aus dem

Stromnetz für die Deckung des Strombedarfs

benötigen einen externen Reformer

fehlende Wasserstoff-Infrastruktur

hohe Kosten

zu geringe Lebensdauer der Geräte

5. Wasserstoffwirtschaft (in Deutschland)

Die Wasserstoffwirtschaft ist das Konzept einer Energiewirtschaft, in der auf allen Ebenen mit

Wasserstoff gehandelt und gewirtschaftet wird. Grundelemente dieser Wasserstoffwirtschaft sind:

a) die Erzeugung von Biomasse durch den Anbau von Energiepflanzen (z. B. Miscanthus,

Igniscum) die nicht der menschlichen Ernährung dienen;

b) die Herstellung von Wasserstoff durch Reformierung von Biomasse und durch Elektrolyse z. B.

mit nicht benötigtem Windstrom (Windgas);

c) die Speicherung und Verteilung von Wasserstoff über das vorhandene Erdgasnetz in die Haus-

halte und Wasserstofftankstellen;

d) die energetische Nutzung des Wasserstoffes in den Haushalten durch Brennstoffzellen die

Strom und Wärme erzeugen (Kraft-Wärme-Kopplung) und in Fahrzeugen, die mit Wasserstoff

angetrieben werden.

Am 21. Mai 2007 nahm das Europäische Parlament eine Erklärung an in der die Schaffung einer

umweltfreundlichen Wasserstoffwirtschaft mit einer funktionierenden Wasserstoff-Infrasstruktur

bis 2025 gefordert wird.

Wasserstoff zählt zu den Sekundärenergieträgern, der genauso wie Strom aus anderen Energien

hergestellt werden muss. Die weltweit produzierte Menge an Wasserstoff beträgt 500 Mrd. m³ i.N.

(Normkubikmeter). Vergleich Deutschland: 19 Mrd.m³ i.N.

Zu a)

Die Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse ist klimaneutral, weil das bei der Herstellung ent-

standene CO2 vorher durch die Photosynthese der Atmosphäre entzogen wurde. Eine großtechni-

sche Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse existiert mit Stand 2011 nicht. Die Verfahren be-

finden sich meist noch im Stadium der Entwicklung. Ein Beispiel hierfür ist das Projekt "Blauer

Turm" in Herten. Die geplante Anlage wird 150 m³ Wasserstoff in der Stunde produzieren.

Aktuelle Situation

Energiepflanzen zur Erzeugung von Bioenergie werden heute bereits in großem Maßstab angebaut.

Häufig verwendete Pflanzen sind z. B. Mais, Weizen, Zuckerrohr, Soja, Raps und Palmöl. Diese

Pflanzen werden in großen Mengen zu Biokraftstoffen wie Bioethanol oder Biodiesel verarbeitet.

Dabei kann es zu folgenden Problemen kommen:

Durch Flächenkonkurrenz steigen die Nahrungsmittelpreise, was besonders in der dritten Welt und

in den Schwellenländern zu einem Problem geworden ist.

Regenwälder werden gerodet um Palmöl-und Zuckerrohrplantagen anzulegen.

Intensive Bodenbearbeitung mit der Verwendung von Kunstdünger und Pflanzenschutzmitteln füh-

ren zu Grundwassergefährdung und einer artenarmen Landschaft.

Ökologisch weniger problematisch für eine nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff ist die Verwen-

dung von Holz und Energiepflanzen, die nicht als Nahrungsmittel verwendet werden und die fast

ohne Düngung und ganz ohne Pestizide bei extensiver Bewirtschaftung auskommen. Hinzu kommt

der Vorteil, dass diese Pflanzen meist auch auf Böden wachsen, die für den Nahrungsmittelanbau

nicht geeignet sind, sodass eine Flächenkonkurrenz weitgehend ausgeschlossen werden kann. Als

Beispiel für solche Pflanzen seien Miscanthus Igniscum und schnell wachsende Holzarten in

Kurzumtriebsplantagen genannt.

Zu b)

Die Herstellung von Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser ist wegen ihres schlechten Wir-

kungsgrades umstritten. Neuere Verfahren versprechen allerdings einen Wirkungsgrad von über

80%.

Besonders interessant ist die Erzeugung von Wasserstoff aus Wind- und Solarstrom, der bei günsti-

gen Wetterlagen entsteht, vom Verbraucher aber nicht abgenommen und auch sonst wo nicht spei-

cherbar ist (Windgas). Diese Energie würde verfallen, d.h. die Windräder müssten vom Netz ge-

nommen werden, wenn die Energie nicht zu Wasserstoff verarbeitet wird. Somit spielt der Wir-

kungsgrad in diesem besonderen Fall eine untergeordnete Rolle.

Dieses Verfahren wird ab Sommer 2011 in einem Pilotprojekt bei Enertrag im brandenburgischen

Prenzlau eingesetzt. Nicht benötigter Strom wird mit einem 500 kW Druck-Elektrolyseur in Was-

serstoff umgewandelt und steht so für Berlins Wasserstofftankstellen zur Verfügung oder wird bei

Bedarf in einem Hybridkraftwerk wieder verstromt.

5.1 Infrastruktur

Eine für den Alltagsbetrieb akzeptable Verteilungsinfrastruktur existiert zur Zeit (noch) nicht. Nach

Meinung des Linde-Chefs, Wolfgang Reitzle, der sich auf den Bericht des Experten Dr. David Hart

bezieht, sind die Kosten für den Aufbau einer derartigen Infrastruktur jedoch gering bis sehr gering.

Dabei geht die Studie von einer zentralen Erzeugung und einer Verteilung mit Flüssigwasserstoff-

Tankfahrzeugen aus.

In einer voll ausgebauten Infrastruktur mit entsprechenden Abnahmemengen wird aber eine Vertei-

lung über Pipelines deutlich kostengünstiger sein. Dazu könnte ein Großteil des bereits bestehenden

Erdgasnetzes verwendet werden. Das Erdgasnetz ist für die Aufnahme von Wasserstoff geeignet.

Die Speicherkapazität des deutschen Erdgasnetzes liegt bei mehr als 200.000 GWh und könnte den

Energiebedarf mehrerer Monate zwischenspeichern. Zum Vergleich: die Kapazität aller deutschen

Pumpspeicherkraftwerke beträgt dagegen nur 40 GWh.

Es gibt zudem ausreichend praktische Erfahrungen mit Wasserstoffleitungen: im Ruhrgebiet wird

seit Jahrzehnten ein über 240 km langes Wasserstoffnetz betrieben. Weltweit existierten 2010 mehr

als tausend Kilometer Wasserstoffleitungen. Air Liquide betreibt 12 Pipelinenetze mit einer Ge-

samtlänge von 1200 km.

Der Energietransport über ein Gasnetzwerk erfolgt mit wesentlich weniger Verlusten (< 0,1 %) als

bei einem Stromnetzwerk (8 %).

Das Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr des Landes Baden-Württemberg will künf-

tig (Stand 2011) den Ausbau einer Wasserstoff-Infrastruktur unterstützen.

5.2 Infrastruktur- und Energiekosten

Die Nutzenergiekosten bei Verwendung von konventionell durch Dampfreformierung erzeugtem,

unbesteuertem Wasserstoff im Verhältnis zu Benzin sind durchaus wettbewerbsfähig. Die zu erwar-

tende Besteuerung würde durch steigende Preise für Benzin ausgeglichen. Die angeführte Studie

geht dabei von konstanten Preisen für die Wasserstoffherstellung aus.

Energetische Nutzung des Wasserstoffs

Wichtigstes Element der Nutzung von Wasserstoff ist die Brennstoffzelle. Sie wandelt die im Was-

serstoff enthaltene Energie in Wärme und Elektrizität um.

Nutzung im Haus

Bei der häuslichen Stromerzeugung mittels Brennstoffzelle kann wie bei der Blockheizkraftwerk-

technik auch eine Kraft-Wärme-Kopplung realisiert werden, die den Gesamtwirkungsgrad steigert.

Da bei dieser Betriebsweise die Wärmeproduktion im Vordergrund steht werden diese Systeme

nach dem Wärmebedarf gesteuert, wobei der erzeugte elektrische Strom in das öffentliche Strom-

netz eingespeist wird. Vaillant hat ein Brennstoffzellenheizgerät entwickelt das über einen Refor-

mer auch mit Erdgas betrieben werden kann.

Der theoretisch erreichbare brennwertbezogene Wirkungsgrad liegt bei ca. 83%. Bezieht man den

Wirkungsgrad, wie bei Wärmekraftwerken und Verbrennungsmotoren üblich auf den Heizwert,

ergibt sich ein theoretisch maximaler Wirkungsgrad von ca. 98%. Die Systemwirkungsgrade liegen

je nach Brennstoffzellentyp zwischen 40% und 65%, wobei unklar ist, ob diese brennwert- oder

heizwertbezogen sind.

Nutzung im Verkehr

Im Brennstoffzellenfahrzeug wird mit der Brennstoffzelle elektrischer Strom erzeugt mit dem ein

Elektromotor angetrieben wird. Die Versorgung mit Wasserstoff geschieht über einen Drucktank (z.

B. 700 bar) der an einer Wasserstofftankstelle aufgetankt werden kann. Mit Wasserstoff angetriebe-

ne Elektrofahrzeuge besitzen Reichweiten von bis zu 800 km.

Die Fahrzeughersteller Toyota, Nissan und Honda haben die Produktionskosten für wasserstoffbe-

triebene Fahrzeuge inzwischen drastisch reduziert und planen den Einsatz von Großserien in Japan

ab 2015 in Verbindung mit zahlreichen Wasserstofftankstellen in den japanischen Metropolregio-

nen. Auch Daimler-Benz will 2015 mit der Serienfertigung von Wasserstofffahrzeugen beginnen.

Um die Alltagstauglichkeit des Wasserstoffantriebes nachzuweisen startet Mercedes-Benz eine

Weltumrundung mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse. Bereits 200 Serienfahr-

zeuge dieses Typs sind 2010 an Kunden ausgeliefert worden.

Opel hat im April 2011 angekündigt, ab 2015 erste Modelle mit Brennstoffzellenantrieb in Serie zu

fertigen und den Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur für Wasserstofftankstellen parallel

zur Markteinführung voranzutreiben.

6. Sicherheit der Brennstoffzellen

Bevor wir Anfangen über die Sicherheitsrisiken zu reden fangen wir an, zu überlegen wo wir das

Auto überhaupt brauchen:

Wir brachen es um a) zu fahren b) durch einen Tunnel zu fahren c) Parken (auch in Garagen)

Bleiben wir bei diesen drei Normalnutzungen.

Um mit dem Sicherheitsaspekt anzufangen beginnen wir mit der Frage, wer überhaupt für die Si-

cherheit verantwortlich ist. Für die Sicherheit ist einerseits der Hersteller verantwortlich, dass dieser

durch Gesetze an bestimmte Vorschriften gebunden ist. Aber das was viele gar nicht einberechnen

ist, dass der Endverbraucher also Sie, für die Sicherheit mindestens genau so sehr verantwortlich ist.

Und natürlich zu guter letzt ist die Wartung für die Sicherheit entscheidend.

Kommen wir jetzt mal zu den Normalbedingungen zurück, die wir eben aufgestellt haben.

Wasserstoff bringt zwar den erheblichen Vorteil mit, dass Wasserstoff eine sehr geringe Dichte hat.

Das heißt es steigt direkt nach oben und verweilt nicht am Boden. In einer Garage jedoch, kann dies

zum Verhängnis werden. Da sich der Wasserstoff an der Decke sammeln kann und dann leicht ent-

zündlich ist.

Aus diesem Grunde muss eine Garage mit einem Belüftungssystem ausgestattet werden.

Wasserstoff bringt jedoch auch viele Vorteile mit sich.

- Er ist nicht so zündfähig wie Benzin.

- Die Konzentration für die Detonationsgrenze ist geringer.

- Ein Funken kann Wasserstoff und auch Benzin genau so leicht entzünden

- Die Zündtemperatur von Wasserstoff ist höher (~> Benzin entzündet sich also leichter)

Um auf die Entzündung

von Wasserstoff näher

einzugehen hat Dr. Swain

von University of Miami

den Vergleich untersucht.

Auch bei einem Unfall

kann das Fahrzeug sich

entzünden und es besteht

die Gefahr, dass es zu

einem Feuer kommen

kann. Hierfür ist zu beach-

ten, dass alle Komponen-

ten den Aufprall unbe-

schadet überstehen. Es

darf also möglichst keine

Systemfehler ab Werk

geben.

Mit einem Auto fährt und

parkt man aber nicht nur,

sondern man muss es von

Zeit zu Zeit auch betan-

ken.

Welche Anforderungen gibt es?

- Ort der Tankstelle

- Sicherheitsbestände

- Ausblasen von Sicherheitsventilen

Welche Anforderungen gibt es für die Zapfsäule?

- Schutz gegen Kollisionen

- Strenge Kontrolle

Was ist jedoch für den Endverbraucher beim Tanken zu beachten?

Der Benutzer des Fahrzeuges darf die Zapfpistole nicht aus dem Einfüllstutzen fallen lassen. Dies

darf und wird bei dem Betanken sehr wahrscheinlich automatisch abgesichert, dass heißt, dass ein

Schließmechanismus eintritt sobald die Zapfpistole in den Einfüllstutzen eingeführt wurde. Die

Gasmenge, die eingefüllt wird, muss genauestens reguliert werden, damit kein Unglück passieren

kann.

Es gibt aber nicht nur die Normalbedingungen, sondern auch besondere Bedingungen. Diese lauten:

- Überdruckbeanspruchung

- Thermische Überbeanspruchung

- Ein Unfall (bereits erläutert)

- Chemische Einwirkung (Rost)

Um auf die Überdruckbeanspruchen näher einzugehen, ist zu beachten, dass die Komponenten den

immensen Druck standhalten müssen.

Bei bestimmten Tests, bei denen die Komponenten sehr genau geprüft wurden, muss der Berstdruck

mindestens dem 1,8fachen des Normaldrucks entsprechen (Systemfehler und unzulässige Betriebs-

zustände sind hierbei auszuschließen).

Das letzte Glied in der „Sicherheitskette“ ist der Autofahrer und das Werkstattpersonal. Die Auto-

fahrer und das Werkstattpersonal müssen hierbei stark unterstützt werden, so dass es nach Möglich-

keit zu keinem Unglück kommen kann.

Diese müssen unterstützt werden indem:

- die Handhabung einfach ist

- eine Einweisung für den Autofahrer erfolgt

- das Werkstattpersonal auf das neue Fahrzeug geschult wird

Wenn man nun alle Ergebnisse zusammenfasst kommt man zu dem Schluss:

1) Wasserstoff ist bei richtigem Umgang genau so sicher wie Benzin

2) Die Industrie muss die Handhabung einfach gestalten und Systemfehler ausschließen

3) Man muss versuchen die Akzeptanz von Wasserstoff zu erhöhen und die Bürger über die

kommenden Sicherheitsstandards zu informieren.

7. Zukunft der Brennstoffzellen

7.1 Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle

Im Vordergrund stehen die ökologischen Vorteile der Brennstoffzelle, es gibt aber natürlich auch

noch weitere Nutzen für den Anwender. Die Brennstoffzellenanlage arbeitet nahezu geräuschlos,

wodurch aufwendige Maßnahmen zur Geräuschdämmung entfallen. Außerdem hat die Brennstoff-

zelle einen sehr hohen Sicherheitsstandard, weshalb es nicht zu Explosionen kommen kann. Unter

Umweltgesichtspunkten sind die verwendeten Materialien unkritisch und können nach Ablauf der

Lebensdauer problemlos wiederverwendet werden. Es fallen bei Betrieb der Anlage praktisch keine

Abfälle und sonstige Rückstände an.

Der Nachteil liegt eindeutig in dem hohen Preis.

7.2 Die Rolle der Brennstoffzellen in der Zukunft?

Brennstoffzellen werden laut Meinung vieler Experten in der Energieversorgung der Zukunft eine

wichtige Rolle spielen. Gegenwärtig wird diese neue Technologie in unterschiedlichen Einsatzfel-

dern erprobt. Insgesamt werden im zivilen Bereich hauptsächlich drei Anwendungsbereiche für die

Brennstoffzelle erprobt: mobile, portable und stationäre.

Strom und Wärme mit der Brennstoffzelle

Bei stationären Brennstoffzellen, die in Gebäuden installiert werden und dort für Strom und Wärme

sorgen, wird laut Auskunft der IBZ der Übergang in die Serienfertigung ab Ende dieses Jahrzehnts

erwartet.

Dabei können die Energiewirtschaft und die Gerätehersteller auf eine etablierte Infrastruktur für die

Brennstoffversorgung bauen. Der für die Brennstoffzellentechnologie erforderliche Wasserstoff

lässt sich durch Reformierung aus Erdgas gewinnen.

Verkehr und Mobilität mit der Brennstoffzelle

Wenn es um Mobilität geht, kommen Brennstoffzellen beispielsweise in Bussen und Personen-

kraftwagen zum Einsatz. So fördert die Europäische Kommission beispielsweise seit dem Jahr 2003

den Praxistest von 30 Brennstoffzellenbussen in zehn europäischen Städten, darunter auch Stuttgart

und Hamburg. Ziel ist es, den Betrieb und auch die dazu notwendige Infrastruktur zu erproben so-

wie Erkenntnisse über die öffentliche Akzeptanz zu gewinnen.

Auch zur Fußballweltmeisterschaft im Jahr 2006 übernahmen Brennstoffzellenbusse beispielsweise

in Nordrhein-Westfalen Teile des Pendelverkehrs. Diese Fahrzeuge tragen dazu bei, die Schadstoff-

belastungen zu reduzieren.

Mobile Geräte mit der Brennstoffzelle betreiben

Notebooks, Camcorder oder Mobiltelefone, die ihren Strom aus Brennstoffzellen gewinnen, ver-

vielfachen die Laufzeiten der Geräte. Experten gehen davon aus, dass dieser Anwendungsbereich

am schnellsten die Marktreife erreichen wird.

8. Fazit

Die Brennstoffzelle ist in Zukunft eine alternative Energiequelle, heute ist sie es leider noch nicht.

Zwar wird viel auf diesem Gebiet geforscht, doch alltagstaugliche Produkte sind dabei noch nicht

entstanden.

Der Herstellungsprozess für den benötigten Wasserstoff ist zu teuer, zu aufwendig oder alles andere

als umweltfreundlich.

Allerdings hat Wasserstoff schon das Potenzial nahezu umweltfreundlich zu sein. Das ist auch der

Grund, warum Wasserstoff-Brennstoffzellen so stark gefördert werden. Man muss auch bedenken,

dass es seit den letzten zehn Jahren intensiv an den Brennstoffzellen geforscht wird und man des-

halb nicht alle benötigten Informationen über sie besitzt. Ob sich die Investitionen lohnen, wird sich

zeigen.

9. Quellen: Wasserstoff: Energie für morgen; Averil Macdonald u.a.

Band 1 bis 4, heliocentris – Berlin

Veröffentlichung der Firma BMW über den Einsatz von Wasserstoff in KFZ-Motoren für

den Schulbereich

http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle#Geschichte

http://www.diebrennstoffzelle.de/zelltypen/geschichte/index.shtml

www.hydrogen.org

www.dwv-info.de/wissen/warum

www.hydrogeit.de/brennstoffzelle

www.fuelcells.de

www.dieBrennstoffzelle.de

www.brennstoffzelle-nrw.de

www.h-tec.de

10. Dank

Wir möchten uns hiermit bei den Vereinigten Industrieverbänden Düren Jülich Euskirchen bedan-

ken, die uns durch ihre finanzielle Unterstützung die Möglichkeit gegeben hat, unser Projekt zu

verwirklichen.

Außerdem möchten wir unserem Lehrer, Lothar Schäkel, Dank aussprechen. Durch den wir von

dieser Möglichkeit der Durchführung eines Projektes bei den Vereinigten Industrieverbänden Düren

Jülich Euskirchen erfahren haben und der uns während unseres Projektes mit Rat und Tat unter-

stützt hat.