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Die Brennstoffzelle(BZ)
Gliederung:
1. Energieträger Wasserstoff2. Geschichte3. Funktionsprinzip der Brennstoffzelle3.1
Aufbau3.2 Arbeitsweise4. Brennstoffzellen im mobilen Bereich5. Wasserstoffantrieb6.
Zusammenfassung7. Quellen
1. Energieträger Wasserstoff
Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Erzeugt mit Hilfe von Sonnen-,
Wasser- und Windenergie könnte er in einigen Jahrzehnten die herkömmlichen
Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas ersetzen. Sein Vorteil: Er hinterlässt
beim Verbrennen kein klimaschädigendes Abgas. Die Autoindustrie experimentiert
zur Zeit mit Wasserstoff als Antrieb für Kraftfahrzeuge. Doch auch die
Herstellung von Wasserstoff anhand der alternativen, "sauberen" Energien
ist mit hohem technischen Aufwand verbunden. Zudem schafft die Speicherung und
der Transport des Gases Probleme. Deshalb stellt sich die Frage: Wie ökologisch
und ökonomisch ist diese Gastechnologie tatsächlich? In der sogenannten
Elektrolyse wird Wasserstoff aus Wasser abgespalten. Wird er verbrannt, liefert
der Prozess Kraft oder Strom für Automotoren und andere Maschinen. Doch
das Gas selbst ist keine Energiequelle, sondern nur ein Energieträger.
Die Elektrolyse ihrerseits benötigt Strom. Darum taucht die Vision von
der sauberen Energie im Gas immer zusammen mit der von sauberem Strom aus Wasserkraft,
Sonne, Wind und Biomasse auf. Das Gas lässt sich bei tiefen Temperaturen
verflüssigen. Dann kann es gespeichert, transportiert und verteilt werden.
Und so hält sich hartnäckig die Idee einer globalen Wasserstoffwirtschaft,
bei der Energie in der einen Ecke der Welt erzeugt und einer anderen verbraucht
wird.
In Brennstoffzellen kann chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad und minimalen
Emissionen direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Einer Brennstoffzelle
werden dazu kontinuierlich gasförmige Brennstoffe (z.B.: Wasserstoff oder
Erdgas) und Luft zugeführt.
2. Geschichte
1839 beschrieb der in Swansea (Wales) geborene Physiker und Jurist William Robert
Grove (1811-1896) eine "galvanische Gasbatterie". Durch "kalte
Verbrennung" von Wasserstoff mit Sauerstoff sollte sie - mit einen Wirkungsgrad
von nahezu 100% - elektrischen Strom liefern. Einer der ersten Wissenschaftler,
der die Bedeutung dieser Entdeckung erahnte, war wohl Wilhelm Ostwald (1853-1932),
der seit 1887 Direktor des ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in
Leipzig war. Im Jahre 1894 beschreibt Ostwald seine visionären Ideen über
die "wissenschaftliche Elektrochemie der Gegenwart und der Zukunft"
folgendermaßen: "Haben wir ein galvanisches Element, welches aus
Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert ...,dann
stehen wir vor einer technischen Umwälzung, gegen welche die bei der Erfindung
der Dampfmaschine verschwinden muss. Denken wir nur, wie ... sich das Aussehen
unserer Industrieorte ändern wird! Kein Rauch, kein Ruß, keine Dampfmaschine,
ja kein Feuer mehr... ."Gleichzeitig räumte er aber bereits ein, dass
es noch ein weiter Weg von dieser Idee bis zu einer technisch funktionierenden
Maschine ist:"...denn bis diese Aufgabe einmal ernst in Angriff genommen
wird, wird noch einige Zeit vergehen. Aber dass es sich hier nicht um eine unpraktische
Gelehrtenidee handelt, glaube ich allerdings annehmen zu dürfen."Wie
recht hatte Ostwald mit seinen Vorhersagen. Die ersten brauchbaren Brennstoffzellen
wurden tatsächlich erst in den 50er Jahren unseres Jahrhunderts entwickelt,
um sie zur Stromversorgung an Bord der Satelliten des amerikanischen Raumfahrtprogramms
zu verwenden. Hier spielte sowohl der "astronomische" Preis dieser
Geräte, als auch die extremen Reinheitsanforderungen an die verwendeten
Gase keine Rolle. Später machte auch das Militär von der Brennstoffzelle
Gebrauch und nutzt sie u.a. für den emissionslosen und geräuschfreien
Antrieb von Elektromotoren in U-Booten. Auf der Suche nach neuen von fossilen
Kohlenwasserstoffen unabhängigen Energiequellen und mit dem gestiegenen
Umweltbewusstsein wurde gegen Ende der 80er Jahre erstmals ein breites Interesse
an der Brennstoffzelle geweckt. Die Forschungsanstrengungen zu deren Realisierung
wurden deutlich verstärkt. Insbesondere der Aspekt, dass es eine Möglichkeit
zur kohlendioxidfreien Erzeugung von elektrischer Energie gibt, macht sie sowohl
für die stationäre als auch für die mobile Nutzung äußerst
attraktiv. Der zu ihrer Betreibung notwendige Wasserstoff könnte als Träger
chemischer Energie viele der bisher verwendeten Energieträger ablösen.
Wasserstoff wird daher bereits oft als der Energieträger des 21. Jahrhunderts
angesehen.
3. Funktionsprinzip der Brennstoffzelle:
3.1 Aufbau:
Das Grundprinzip wird durch die räumliche Trennung der Reaktionspartner
durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten verwirklicht, der auf beiden
Seiten mit porösen Elektroden (Anode und Kathode) in Kontakt steht. Auf
diese Weise läuft die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff
nicht explosionsartig als Knallgasreaktion ab, sondern wird kontrolliert durchgeführt,
so dass der Elektronenaustausch zwischen den Reaktionspartnern über einen
äußeren Stromkreis erfolgt und dabei elektrische Energie liefert.
3.2 Arbeitsweise
Brennstoffzellen sind elektrochemische Stromerzeuger, die ohne den Umweg über
die Wärme, direkt aus einer chemischen Verbindung, Elektrizität erzeugen.
Sie können auch als gasbetriebene Batterien, die durch kalte, elektrochemische
Verbrennung eines Gases - in der Regel Wasserstoff- Gleichspannungsenergie erzeugen,
bezeichnet werden. Die Technologie der BZ basiert auf der Umkehrung der elektrolytischen
Zersetzung des Wassers. Während bei der Wasserelektrolyse durch einen Stromfluss
die Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gebildet werden, dreht sich diese
Reaktion bei der BZ um:Summe: 2 H2 + O2 -> 2 H2ODiese Gesamtreaktion wird
in der BZ in zwei Einzelreaktionen getrennt, welche separat an den beiden Elektroden
erfolgen. An der Anode wird Wasserstoff zu Protonen oxidiert:Anode: 2 H2 ®
4 H+ + 4 e-
während an der Kathode der Sauerstoff umgesetzt wird:Kathode: O2 + 4 H+
+ 4 e- ® 2 H2O
An der Kathode herrscht also Elektronenmangel (O2) und an der Anode Elektronenüberschuss
(4 H+ + 4 e-). Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen
Leiter, so fließt ein elektrischer Strom. Auf Grund der Trennung der beiden
Reaktionen kann der Elektronenübergang nur durch einen äußeren
Leiterkreis erfolgen. Die BZ besteht demzufolge aus zwei Elektroden, die mit
Wasserstoff bzw. mit Sauerstoff versorgt werden müssen und einer dazwischenliegenden
Trennschicht, dem Elektrolyten. Er ist gewöhnlich flüssig oder halbflüssig.
Auf Grund der verschiedenen Materialien, die für den ionenleitenden Elektrolyten
verwendet werden, unterscheidet man unterschiedliche BZ-Typen (siehe Tabelle).
Bei der hier verwendeten BZ handelt es sich um eine sogenannte Membranbrennstoffzelle
(engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEM), bei der ein wassergequollenes, ionenleitendes
Polymer als Elektrolyt dient (siehe Bild).
Name Elektrolyt Arbeitstemperaturin °C ReaktionsgaseAlkalische Brennstoffzelle(AFC)
Alkalilauge 70 - 100 H2 + O2 (hochrein)Membranbrennstoffzelle(PEM) Polymermembran
50 - 100 H2 + LuftsauerstoffPhosphorsaure BSZ(PAFC) Stabilisierte Phosphorsäure
160 - 210 H2(reformiert aus Erdgas)LuftsauerstoffSchmelzkarbonat- BSZ(MCFC)
Schmelzkarbonatlösung 650 H2 (interne Reformierung v. Erdgas)LuftsauerstoffFestoxid-BSZ(SOFC)
Festkeramischer Elektrolyt 800 - 1000 H2 (interne Reformierung v. Erdgas)Luftsauerstoff
4. Der Einsatz von Brennstoffzellen im mobilen Bereich:
Der heutige Bedarf an Mobilität führt zu einer immensen Verkehrsbelastung
und damit zu extremen Emissionen im Straßenverkehr. Elektrofahrzeuge haben
am Fahrzeug selbst keine Emissionen, besitzen aber mit Batteriespeicher eine
relativ geringe Reichweite und schlechten Wirkungsgrad bei langen Ladezeiten.
Brennstoffzellen im Automobil können elektrischen Strom sehr effizient
direkt aus chemisch gespeicherter Energie gewinnen. Etwa 70% aller Autofahrten
erfolgen im Stadtverkehr. Da die Brennstoffzelle einen hohen Wirkungsgrad bei
einer Teillastbeanspruchung, wie es in der Stadt ist, hat, könnte man dort
die Emissionen deutlich reduzieren.Wird Wasserstoff als Energieträger verwendet,
so ist das Auto sogar emissionsfrei, da lediglich Wasser produziert wird. Jedoch
führt die Verwendung von Wasserstoff auch zu einigen neuen Problemen. Wasserstoff
muss man entweder flüssig in einen tiefgekühlten Tankbehälter
unterbringen, oder man füllt es in einen Behälter mit Metallhydrid.
Dieses Material saugt den Wasserstoff auf, und es ist keine zusätzliche
Kühlung notwendig. Beim Tanken von Wasserstoff ist stets darauf zu achten,
dass sich auf keinen Fall Sauerstoff mit dem Wasserstoff vermengt, da es sonst
zu einer Explosion kommt. Meistens wird über ein Vakuumsystem getankt,
um etwaige Schwierigkeiten zu vermeiden. Außerdem muss ein Tank zu 100%
dicht sein, da Wasserstoff stark flüchtig ist und sonst entweichen würde.
Anwendungsbereiche:· Energieerzeugung im Haushalt· bei Fahrzeugen
Vorteile:· umweltfreundlich· geruchs- und geräuscharmNachteile:·
teure Anschaffung· die Lagerung von Wasserstoff ist zur Zeit noch sehr
aufwendig
Als Vorreiter für die Anwendung der Brennstoffzelle hat die Daimler Benz
AG sich in der Entwicklung solcher Fahrzeuge besonders früh engagiert.
In den verschiedenen Autofirmen wird heute ebenfalls an der Implementierung
von Brennstoffzellen gearbeitet.Im Frühjahr 1999 stellte die DaimlerChrysler
AG ihre letzte Entwicklung auf dem Gebiet vor. Im NECAR 4 (New Electric CAR)
wird die Brennstoffzelle aus einem Wasserstofftank vor der Hinterachse gespeist
(Bild). Das Sandwichkonzept, das Daimler Benz in der A-Klasse einführte,
ermöglicht eine gute Unterbringung der Brennstoffzellenstapel (Stacks)
im Unterboden der Fahrgastzelle des Fahrzeuges und erreichen so einen tiefen
Schwerpunkt der noch schweren Brennstoffzellentechnologie.
5. Wasserstoffantrieb
Der Wasserstoffantrieb ist eine weitere Möglichkeit, sein Auto umweltfreundlich
in Betrieb zu nehmen.
Funktionsprinzip:
Ein Wasserstoffmotor funktioniert im Prinzip wie ein normaler Benzinverbrennungsmotor,
nur dass als Brennstoff Wasserstoff verwendet wird. Dieses Prinzip wird von
BMW verfolgt.Das bedeutet auch, dass man für den Motorblock spezielle Materialien
benötigt, da man sonst mit einem großen Treibstoffverlust zu rechnen
hat.
Clean Energy: Der BMW 750hL fährt mit Wasserstoffantrieb
750hL: Wasserstoff-Limousine für den AlltagDie Wasserstoff-Technik in den
Zwölfzylinder-Limousinen hat bereits einen Reifegrad erreicht, der nach
Ansicht von BMW realistische Planungen für eine Großserienfertigung
erlaubt. Damit kommt das Clean-Energy-Auto in Sicht: Ein Auto, das sich in den
ökologisch idealen, geschlossenen Energiekreislauf auf Wasserbasis einfügt.Mit
Wasserstoff betrieben leistet der Zwölfzylindermotor 150 kW (204 PS), beschleunigt
in 9,6 Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100 und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit
von 226 km/h. Mit dem 140 Liter fassenden Kryo-Tank hat der voll ausgestattete
7er eine zusätzliche Reichweite von 350 Kilometern. Dazu kommt eine konventionelle
Benzin-Kraftstoffversorgung, die mit Rücksicht auf die lückenhafte
Versorgung mit Wasserstoff unverändert an Bord bleibt.Der Wasserstoff wird
bei einer Temperatur von rund minus 250 Grad Celsius in einem doppelwandigen
Stahltank hinter den Fondlehnen gespeichert. Zwei Sicherheitsventile sorgen
bei zu hohem Überdruck für die kontrollierte Entlüftung. Sie
sind auch Teil des Sicherheitskonzepts: Selbst bei einem massiven Auffahrunfall,
bei dem der Tank in seinem geschützten Bereich betroffen wäre, würde
der Stahlzylinder mit seiner zweimal zwei Millimeter starken Hülle nicht
undicht, so BMW. Noch stärkere Deformationen, die den Insassen kaum Überlebenschancen
ließen, könnten den Tank zwar leck schlagen, er kann jedoch nicht
explodieren: Dafür wäre ein Wasserstoff/Luft-Gemisch Voraussetzung,
Luft kann aber durch den höheren Wasserstoff-Innendruck nicht in den Tank
eindringen.Der Motor unterscheidet sich vom Benziner nur durch den Ansaugtrakt
mit zusätzlichen Einblasventilen für den Wasserstoff. Die Verbrennung
erfolgt generell mit Luftüberschuss. Die zusätzliche Luft im Brennraum
nimmt Wärme auf und senkt damit die Flammentemperatur. Die niedrige Verbrennungstemperatur
vermeidet gleichzeitig die Entstehung von Stickstoffoxiden (NOx). Denn bei hohen
Temperaturen wird ein Teil des in der Luft enthaltenen Stickstoffs zu Stickoxiden
"verbrannt". Bei niedrigen Temperaturen tritt diese Luftstickstoff-Verbrennung
nicht auf.
6. Zusammenfassung:
Die Technologie der Brennstoffzelle steht noch am Anfang der Entwicklung. Es
gibt zwar schon die ersten entwickelten Autos, aber bis zur Serienreife wir
es wohl noch einige Jahrzehnte dauern. Tankstellen müssen gebaut werden
und vor allem muss noch viel Geld für die Forschung ausgegeben werden,
um Wasserstoff energiesparend zu produzieren und zu lagern. Der wichtigste Punkt
bei der Durchsetzung wird der Preis der Autos sein.Die Brennstoffzelle wird
in Zukunft auch weiter in anderen Gebieten als nur bei Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden und vielleicht wird die Brennstoffzelle der wichtigste Energieerzeuger
der Zukunft.
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