Wer kennt nicht den berühmten Hilferuf „Houston, wir haben ein Problem!“ von Jack Swigert? Er markierte den direkten Verlust von zwei der drei Brennstoffzellen bei der Apollo 13 Mission. Das war 1970 und damit bereits 130 Jahre nach der Entdeckung des Prinzips der Brennstoffzelle. Doch erst jetzt, weitere 50 Jahre später, nähert sich die Brennstoffzelle dem Ende ihres Dornröschenschlafs, resümiert unser Gastautor.

Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal 03/2018 erschienen.

1.1. Einleitung

Keine Frage: Unternehmen wie Ballard Power Systems, DuPont, Hexis, SFC, Grundfos und viele andere bedienen seit vielen Jahren bestimmte Teilmärkte mit beispielsweise geräuschlosen Notstromgeneratoren (USVs), Ladegeräten für batteriebetriebene Geräte oder auch Gebäudehei­zungen, die gleichzeitig Wärme und Elektrizität erzeu­gen. Besonders dort, wo kein Anschluss an ein öffentliches Stromversorgungsnetz möglich ist – auf Inseln, Schiffen, in abgelegenen Siedlungen – oder eine besonders hohe Versorgungssicherheit benötigt wird – in Krankenhäusern, Industrieanlagen, auf U-Booten – sind Kombinationen aus Brennstoffzelle und Energiespeicher einsetzbar. Doch ­bisher gelang es keinem Hersteller, wesentliche kommer­zielle Erfolge mit Brennstoffzellen zu erzielen. Einige ­Unternehmen – wie zum Beispiel Viessmann Ende 2017 – sind sogar größtenteils wieder aus dem Markt ausgestiegen.

2.2. Vorteile der Brennstoffzelle

Dabei bringen Brennstoffzellen deutliche Vorteile mit sich. Die Technologie erlaubt schon heute elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60 %. Bei Kraft-Wärme-­Kopplung werden sogar bis zu 95 % Systemwirkungs­grad erreicht. Zum Vergleich: Ein reiner Dieselmotor kommt auf etwa 40 %. Je nach Typ der Brennstoffzelle entsteht bei der „kalten Verbrennung“ nur Wasser. Die Zelle ist also weitestgehend schadstofffrei. Eine Brenn­stoffzelle arbeitet zudem nahezu geräuschlos und muss nicht gewartet werden. Sie ist als Energiequelle für Elek­trizität und Wärme grund- wie spitzenlastfähig.

Da es mit Brennstoffzellen möglich ist, beson­ders effizient chemisch gespeicherte Energie aus den ­regenerativen Stromquellen wieder in elektrischen Strom zu verwandeln, kann diese Technik zudem dazu beitragen, den CO2- und Stickoxid-Ausstoß von Kohle- und Erdgaskraftwerken deutlich zu reduzieren.

3.3. Kombination von Brennstoffzelle und Batterie

Elektrofahrzeuge können zum Beispiel als Beimischung zu den Flotten der Automobilhersteller bereits die Er­reichung der CO2-Grenzen der EU ermöglichen. Gleich­zeitig werden sie auch zunehmend von der Bevölkerung als ­Zukunftstechnologie erkannt. Ökologisch interessant werden Elektrofahrzeuge, wenn der Strom nicht aus Kohle­kraftwerken kommt, sondern regenerative Energie für das Laden der Lithium-Ionen-Batterie verwendet wer­den kann. Doch regenerativer Strom steht nicht ­immer zur Verfügung. Nachts produziert kein einziges Solar­kraftwerk in Europa Strom. Zudem können Flauten im Sommer tagelang die Produktion von Windstrom lahm­legen – gerade dann, wenn Klimaanlagen besonders viel Strom benötigen. Derzeit werden große Lithium-­Ionen-Speicherkraftwerke aufgebaut, um Strom zu puffern. Denn an sich muss elektrische Energie in dem Moment, in dem sie produziert wird, auch wieder verbraucht werden.

Hier liegt das Potenzial der Brennstoffzelle als Energie­quelle der Zukunft – gerade auch im vollelektrischen Fahr­zeug. Denn Brennstoffzellen arbeiten im einfachsten Fall allein mit Wasserstoff und Sauerstoff. Den benötigten Wasserstoff gewinnt man in sogenannten Elektrolyseuren (Umkehr des Brennstoffzellen-Prinzips; Power-to-Liquid bzw. Power-to-Gas) mithilfe des regenerativen Stroms aus Windkraft, Solarenergie, Biogas oder Wasserkraft. Zu­sammen mit dem Sauerstoff aus der Luft kann zu einem späteren Zeitpunkt die chemisch gespeicherte Energie wieder in Antriebsenergie umgewandelt werden.

Aus sicherheitstechnischen Aspekten – schließlich gibt es bereits seit Längerem mit Erdgas oder auch hochver­dichtetem Wasserstoff angetriebene Fahrzeuge – kann man auch Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) ein­setzen. Dies würde auch den Ausbau einer entsprechen­den Versorgungsinfrastruktur erleichtern. Die derzeit rund 60 öffentlich zugänglichen Wasserstoff-Tankstellen sollen der Initiative H2 Mobility zufolge auf 400 H2-Tank­stellen im Jahr 2023 ausgebaut werden. Wegen der mit einer Tankfüllung erzielbaren Reichweite von 600 Kilo­metern könnten 1.000 Tankstellen bundesweit bereits eine ausreichende Dichte darstellen. Zum Vergleich: Für fossile Brennstoffe gibt es deutschlandweit etwa 13.000 Tankstellen. Allerdings ist die erreichbare ­Leistungsdichte der DMFC nicht ausreichend für den direkten Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs.

4.4. Hindernisse für die Massenproduktion

Trotz der Vorteile und Möglichkeiten von Brennstoff­zellen wird dieser vielversprechende Energieproduzent auch Anfang 2018 noch nicht in der Massenproduktion eingesetzt. Dafür sind auch die Verkaufszahlen der wenigen Serienfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb (Toyota Mirai, Honda Clarity) noch zu gering – trotz ­erfreulich hoher Reichweite. Eine Wende könnte das Jahr 2020 bringen, wenn Hersteller wie Daimler, BMW, Audi, Honda, Toyota und Ford ihre angekündigten markt­reifen H2-Lösungen präsentieren.

Eine weitere Antriebsfeder ist der zunehmende Ein­satz von Brennstoffzellen im Nutzfahrzeug-Bereich. So wurde zum Beispiel Ende 2017 bekannt, dass der ­Online-Händler Amazon 23 % des Brennstoffzellen-­Spezialisten Plug Power übernehmen will. Die Gabel­stapler mit Brennstoffzellenstacks, mit denen Amazon sich gemäß Vertrag ausrüstet, können binnen drei Mi­nuten wieder für eine volle Schicht aufgeladen werden.

Dennoch: Wichtige Hinderungsgründe für den ­Masseneinsatz sind bislang die verschiedenen konkur­rierenden Brennstoffzellenarten (zum Beispiel Polymer­elektrolyt- (PEM) oder Festoxidbrennstoffzellen (SOFC)) und die relativ teuren Rohstoffe (wie unter anderem der Platin-Katalysator), die eingesetzt werden müssen. Zu­dem ist die Lebensdauer im mobilen Wechsellast-Betrieb noch nicht ausreichend und auch die Herstellung durch eine fehlende, vollautomatische Serienfertigung bis­lang noch zu teuer. Dadurch kann sich der Brennstoff­zellen-Antrieb noch nicht gegenüber den etablierten, hochstandardisierten Fertigungen der Verbrennungs­motoren durchsetzen.

5.5. Chancen des Dieselskandals für die Brennstoffzelle

Doch vor allem fehlte bislang der Druck von außen. Denn eine gute Technologie wird noch nicht deswegen eingesetzt, weil sie anderen Technologien überlegen ist. Vielmehr bedarf es eines ökonomischen Anreizes, um sie gegenüber anderen Möglichkeiten der Energie­gewinnung als konkurrenzfähig zu erkennen. Der Dieselskandal übt nun einen massiven Druck auf die Automobilindustrie aus. Hielten bis vor einiger Zeit noch alle deutschen Automobilbauer am Verbrennungs­motor fest, ändert sich die Situation nun zunehmend. Denn das Diesel-Fahrzeug hat sein gutes Image verloren und in manchen Ländern dieser Welt ist man in Sachen „sauberes Auto“ bereits viel weiter.

 Bei der Suche nach Alternativen hat die Kombi­nation Brennstoffzelle und Lithium-Ionen-Batterie ­großes ­Potenzial. Denn ähnlich dem Verbrennungs­motor in einem Hybrid-Antrieb kann die Brennstoffzelle 24 ­Stunden pro Tag die vergleichsweise kleine Batterie laden – mit Energie aus regenerativen Quellen und an jedem Ort, unabhängig von einer Ladestation, folglich auch in Städten mit sehr prekären Parkplatzproblemen und unzureichendem Stromnetz für die große Zahl an benötigten Ladestationen.

CMC Klebetechnik arbeitet mit mehreren Kompo­nentenanbietern zusammen, um ­Brennstoffzellen ­konkurrenzfähig zu machen. ­Leistungsfähigere Materia­lien, eine zuverlässige Lebensdauer und ­automatisierbare Verarbeitungsprozesse helfen dabei, die Zukunft der Energieversorgung flexibler zu ge­stalten und – bei Einsatz regenerativer Energien – den CO2-Footprint jedes einzelnen zu verkleinern.

  • Portrtfoto Gerald Friederici CMC B

    Autor

    Gerald Friederici

    Vorsitzender des Technischen Komitees und Beiratsmitglied im Fachverband „Electrical Winding & Insulation Systems“

     

  • Brennstoffzellentechnologie CMC Cover

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