Brennstoffzellen 2021
Brennstoffzellen werden unser Zukunft verändern. Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? Welche Brennstoffe gibt es? Wo werden Brennstoffzellen eingesetzt?
Transkript:
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde vor über 180 Jahren 1838 entdeckt.
Das war 13 Jahre nachdem die erste Eisenbahn ihren Betrieb aufnahm und im gleichen Jahr in dem erstmals ein Dampfschiff aus Europa New York erreicht hat und der erste Rosenmontagsumzug in Mainz an den Start ging.
In diesem Beitrag geht es um Brennstoffzellen um deren Einsatzmöglichkeiten und Brennstoffe,
und damit herzlich Willkommen und Hallo bei ROMEJO, schön, dass Sie neugierig sind.
Christian Friedrich Schönbein hat 1838 die Brennstoffzelle entdeckt. Er hat auch das Ozon gefunden und die Schießbaumwolle erfunden.
Der deutsch/scheizerische Physiker und Chemiker Schönbein versenkte bei einem Versuch zwei Platindrähte in einem Pot mit verdünnter Schwefelsäure. Einen Draht umspülte er mit Wasserstoff den anderen mit O2. Zwischen den Drähten konnte er eine elektrische Spannung messen. Damit war die Wasserstoff-Brennstoffzelle entdeckt.
Es folgten viele weitere Versuche u.a. mit Sir William Grove. Der erkannte, dass Prinzip dahinter, also dass man mit der Umkehrung der Elektrolyse Strom erzeugen kann. Grove gilt daher als einer der Väter der Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle wurde 30 Jahre vor der Dynamomaschine erfunden.
Die Dynamomaschine wurde u.a. von Werner von Siemens erfunden, sie wird heute Generator genannt und ist der gängige Stomproduzent z.B. in Kernkraftwerken, oder in Windkraftanlagen.
Das unglaubliche Potential der Brennstoffzelle erkannte vor fast 150 Jahren der französische Romanautor Jules Verne: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist.“ (Die geheimnisvolle Insel)
Zunächst sollte Verne jedoch nicht Recht behalten, die Brennstoffzelle geriet durch die Erfindung des Generators in Vergessenheit. Die Brennstoffzelle wurde damals noch galvanische Gasbatterie genannt.
Soviel zur Geschichte, sehen wir uns nun an, wie eine Brennstoffzelle funktioniert und danach, wo sie schon überall einsetzt wird.
Die Brennstoffzelle ist aufgebaut ähnlich einer Autobatterie, wie ein Akku, also ein galvanisches Element. Elektroden, also Metallelemente sind umgeben von einem Elektrolyt.
Was sind gleich nochmal Elektrolyte? Elektrolyte sind Stoffe, in denen sich geladene Teilchen bewegen können. Feste, flüssige, gelöste, geschmolzene Stoffe egal, – hauptsächlich geladene Teilchen, also Ionen, können sich darin bewegen.
Versenkt man in einem Elektrolyt zwei geeignete Elektroden, die man durch Metall verbindet, fließt durch das Metall Strom. Schaltet man einen Verbraucher dazwischen, kann man z.B eine Glühlampe betreiben.
Wir kennen ein sehr starkes Elektrolyt vom Nudelkochwasser. Kochsalz wird in Wasser aufgelöst, Natrium und Chlor- Ionen bewegen sich frei im Wasser, lange bevor es die Nudeln tun. Geschmolzenes Kochsalz ist auch ein Elektrolyt, weil sich die Ionen darin bewegen können. Es taugt aber nicht zum Nudelkochen.
Mit Nudelkochwasser haben wir also schon vieles einer Brennstoffzelle nämlich ein funktionierendes Elektrolyt. Wenn wir geeignete Metalldrähte hineinhängen z.B. magnesiumhaltige, dann können wir Stom erzeugen. Es gibt sie tatsächlich, die Salzwasser Brennstoffzelle, allerdings verbrauchen sich die magnesiumhaltigen Elektroden.
Wir ahnen es schon, es gibt nicht die Brennstoffzelle schlechthin, sondern vielmehr vielerlei Brennstoffzellen, mit verschiedene Elektrolyten, unterschiedlichen Elektroden, verschiedensten Katalysatoren. Sie arbeiten bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen und sind unterschiedlich produktiv.
Die bekannteste Brennstoffzelle ist die Wasserstoff- Brennstoffzelle. Hier wird an einer Elektrode Wasserstoff entlanggeführt, das sich an ihr in zwei Wasserstoffionen Ionen aufspaltet. An der anderen Elektrode wird O2 vorbeigeführt, das sich in zwei negativ geladene SAUERSTOFF Ionen spaltet. Die entstandenen Ionen verbinden sich zu Wasser das als Wasserdampf entweicht. Der Ladungsausgleich findet in Form von Stromfluss durch die metallisch Verbundenen Elektroden statt.
Viele kennen die Reaktion von WASSERSTOFF und O2 aus dem Chemieunterricht. Ein Luftballon wird mit WASSERSTOFF gefüllt und schließlich zum Platzen gebracht, Es entsteht ein Ohrenbetäubender Lärm durch die Reaktion des Wasserstoffes mit dem Luft-Sauerstoff. Dieser Lärm hat der Reaktion ihren Namen gegeben, die Knallgasreaktion. Sie läuft extrem exotherm ab, wie der Chemiker sagt, wenn er Explosion meint.
Warum kommt es nun in einer Wasserstoff Brennstoffzelle nicht zu einer Knallgasreaktion? Warum fliegt uns das Ding nicht krachend um die Ohren?
Dafür sorgt das Elektrolyt, Membrane, generell der Aufbau, sodass sich im Elektrolyt nur Ionen begegnen und nicht die beiden Gase.
Wasserstoff ist in der Chemischen Industrie oft ein Abfallprodukt, Er lässt sich gezielt chemisch synthetisieren.
Und er lässt sich auch durch Elektrolyse aus Wasser und elektrischer Energie gewinnen. Wie es Jules Verne gepriesen hat. Stammt diese Energie aus Regenerativen Quellen, wie Wind und Sonne sprechen wir von grünem Wasserstoff. Er ist nicht nur CO2-neutral sondern sogar CO2-frei. Einziges Abfallprodukt ist dann Wasserdampf.
Bevor es gleich um die Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle geht, betrachten wir kurz, woher der Brennstoff kommt.
Derzeit wird Wasserstoff noch überwiegend klimaschädlich aus fossilen Stoffen hergestellt, das könnte sich aber bald ändern. Forscher der ETH Zürich gewinnen Wasserstoff aus der Umgebungsluft. Es klingt unglaublich, aber aus der Umgebungsluft wird Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht gewonnen.
Im Projekt Synhelion der ETH wird konzentriertes Sonnenlicht auf einen Keramikschaum aus Ceriumoxid geleitet an dem Wasserstoff und Kohlenmonoxid entsteht, diese werden als Synthesegase zur Herstellung von Methanol verwendet. Das Wasserstoff für eine Brennstoffzelle liefern kann. Also in einer Methanol- Brennstoffzelle verwendet werden kann.
Methanol ist nicht die einzige Verbindung, aus der sich der enthaltene Wasserstoff in einer Brennstoffzelle nutzen lässt, auch das Ammoniak kann als Wasserstoffspeicher dienen. Vorteil von Methanol und Ammoniak gegenüber reinem Wasserstoff liegt in der Logistik, im Transport und der Lagerung.
Methanol ist bei Raumtemperatur flüssig, Ammoniak unter -33° und Wasserstoff bei unter -253°
Zum Methanol kommen wir gleich noch. Das Ammoniak hat eine höhere Energiedichte als Wasserstoff, das heißt man muss weniger Volumen transportieren und es lässt sich in dünnwandigen Behältern transportieren. Wasserstoff muss in druckstabilen Containern transportiert werden.
Ammoniak wird derzeit meist aus fossilen Stoffen hergestellt, lässt sich aber durch auch Haber-Bosch-Methode aus WASSERSTOFF und Stickstoff herstellen.
Die Methode wurde vor 100 Jahren von den Deutschen Fritz Haber und Carl Bosch entwickelt. Beide wurde später mit einem Nobelpreis geehrt.
Das Saudische Königshaus, der Kraftwerksbetreiber ACWA Power und der US-Gashersteller Air Products planen die Produktion von klimaneutralem Ammoniak ab 2025 in der Wüste von Saudi-Arabien in großem Stil.
Nachdem wir jetzt die Funktionsweise und einige Brennstoffe der Brennstoffzellen betrachtet haben, schauen wir doch wie es gerade mit dem Einsatz der Technologie steht.
Die Brennstoffzelle wird bereits eingesetzt, in der Raumfahrt, bei Kraftfahrzeugen, Eisenbahnen, eBikes, in der Industrie und im Bau.
Im Raumfahrtprogramm von Apollo und den Space Shuttle wurde die AFC, die Alkalische Niedertemperatur Brennstoffzelle eingesetzt, später die Polymerelektrolyt Brennstoffzelle von Eeneral Electric. Beide Brennstoffzellen arbeiten im Dauerbetrieb bei ca. 80°.
Eine Schmelzkarbonat Brennstoffzelle MCFC arbeitet bei 650° eine Festoxid Brennstoffzelle SOFC sogar zwischen 800° und 1000°.
Auch im Bau werden Brennstoffzelle bereits eingesetzt.
In Japan wurde das olympische Athletendorf in Tokio mit einem 30-KW Brennstoffzellenpark ausgestattet. Ene-Farm nennen die Japaner das. Panasonic hat bereits 300.000 solcher Anlagen gebaut und in Betrieb genommen. Als Wasserstofflieferant dient Erdgas. Genaugenommen handelt es sich um eine Kraft-Wärme-Kopplung.
Brennstoffzellen werden auch in Kraftfahrzeugen verbaut und eingesetzt. Japan ist auch hier ganz vorne dabei, Toyota plante zur Sommerolympiade 2020 den Brennstoffzellenbus Sora in Scene zu setzen und Japan als das Brennstoffzellenland zu inszenieren.
Brennstoffzellen werden auch in Personenwagen genutzt in Modellen von Honda und Toyota aus Japan. Auch Hyundai aus Südkorea und Mercedes Benz aus Deutschland bieten hierzulande Brennstoffzellenfahrzeuge an, die mit Wasserstoff betankt werden.
Ganz neue Wege ging der Deutsche Autobauer Roland Gumpert, mit dem Modell Natalie.
Der erste serienreife Sportwagen mit Methanol- Brennstoffzelle. Eine Zusammenarbeit der Ingolstädter mit dem chinesischen eAutobauer Aiways. Brennstoff für seine Supersportwägen ist Methanol. Den kennen wir als Brennspiritus im Haushalt und aus dem Baumarkt. Methanol ist ein Alkohol und lässt sich chemisch oder biologisch herstellen. Es liefert den Wasserstoff für die Reaktionen in einer Brennstoffzelle.
Methanol lässt sich tanken, wie Benzin, die Infrastruktur von Tankstellen könnte mit wenig Aufwand für Methanol genutzt werden. Somit könnten eAutos an Tankstellen Methanol tanken und elektrisch fahren. Methanol kann druckfrei gelagert und transportiert werden, in existenter Infrastruktur. Der Supersportwagen Natalie kann in 3 Minuten betankt werden. Seine elektrische Reichweite: über 800 Kilometer. Seine elektrisierende Beschleunigung: 2,3 sec von 0 auf 100 km/h.
Brennstoffzellen werden auch in der produzierenden Industrie eingesetzt.
So kann Energie am Ort des Verbrauchens erzeugt werden. Die Aliaxis Deutschland GmbH ist ein Spezialwerkstoffhersteller. Sie hat im Mannheimer Industriegebiet ein Brennstoffzellenkraftwerk von Eon Connecting Energies errichten lassen. Verbaut wurden die Brennstoffzelle von Fuel Cell Energy Solutions aus Dresden. Das Kraftwerk hat eine Leistung von satten 1,4 MW.
Die BRENNSTOFFZELLE Anlage im Megawatt Bereich wird derzeit mit Erdgas betrieben bei der Abspaltung des Wasserstoffes aus dem Erdgas entsteht zwar CO2, allerdings wesentlich weniger als bei der Verbrennung von Erdgas frei würde, auch Stickoxide, Schwefeloxide und Feinstaub fallen in geringeren Mengen an.
Die Brennstoffzellenanlage könnte zukünftig auch mit Biogas betrieben werden oder mit reinem Wasserstoff aus industrieller Elektrolyse – also mit nicht sofort genutztem Ökostrom.
Auch bei der Eisenbahn werden Brennstoffzelle bereits eingesetzt.
Die Brennstoffzelle ermöglicht, heute schon dass Züge auf Strecken ohne Oberleitung elektrisch betrieben werden können. Altstom war die weltweit erste Eisenbahngesellschaft, die im Weser-Elbe Netzwerk Wasserstoffbetriebene Züge im Personennahverkehr erfolgreich getestet hatte.
Wasserstoffbrennstoffzellen und Lithium-Ionen-Akkus kommen in den Zügen zum Einsatz, so kann beim Bremsen Energie in die Akkus gespeichert werden. Zum Beschleunigen wird Strom aus den Akkus und den Brennstoffzellen genutzt.
Brennstoffzellenzüge können zukünftig in Dieselzüge ersetzen. Der Schienenverkehr wird damit lokal emissionsfrei und leiser sein.
Auch in der Schifffahrt wird die Brennstoffzelle bereits einsetzt und weiter erforscht. Im Projekt Elektra 2 im Institut für Land und Seeverkehr der technischen Universität Berlin der maritime wirtschaftliche Einsatz von BRENNSTOFFZELLE erforscht. Als wasserstoffbetriebenes Hochseeschiff befindet sich die norwegische Viking Lady im Einsatz. Die Bundesmarine hat U-Bote der Klasse 212A im Einsatz. Sie sind weltweit die ersten außenluftunabhängigen Boote, deren Antriebsanlage für Tauchfahrten auf Brennstoffzellen basiert.
Selbst für eBikes gibt es schon den Brennstoffzellen Einsatz.
Unter dem Namen Alpha 2.0 will der französische Hersteller Pragma ein WASSERSTOFF eBike auf den Markt bringen, mit einem austauschbaren 2l Gaszylinder als WASSERSTOFF Speicher und einer 150 W Brennstoffzelle.
Französische Kommunen haben bereits eBikes und passende Ladestationen für das Bikesharing geordert. Auch ein Brennstoffzellen-Scooter von Suzuki hat bereits eine EU Straßenzulassung.
Auch in der Luftfahrt wird am Einsatz der BZN geforscht. Das Brennstoffzellen Leichtflugzeug eGenius hob bereits 2011 im bayerischen Mindelheim ab. In Stuttgart hebt regelmäßig H2Fly mit seinen Prototypen ab. Eines der größten bisherigen Brennstoffzellenflugzeuge ist eine umgebaute Piper PA-46, die am 19. Juni 2020 erstmalig vom Cranfield Airport in Großbritannien abhob.
Besonders interessant für die Fliegerei: Wasserstoff enthält bei gleicher Masse das 2,8 -fache an Energie wie Kerosin. Das bedeutet potentiell höhere Reichweiten höhere Nutzlasten und eine bessere Ökobilanz.
Anwendungsfälle gibt es also reichlich, auch bereits realisierte.
Stellen wir uns nun den Fragen: Wie wird es mit der Brennstoffzelle weitergehen? Woher kommt der Brennstoff? Wieviel Brennstoff brauchen wir zukünftig?
Die meist diskutierte Brennstoffzelle ist die Wasserstoffbrennstoffzelle. Allerdings ist der Umwelt wenig geholfen, wenn der Wasserstoff aus Fossilem gewonnen wird und nicht wie durch Jules Verne gelobt aus elektrisch gespaltenem Wasser, was wir heute als grünen WASSERSTOFF bezeichnen.
Wie viel grüner Wasserstoff in Deutschland zukünftig benötigt werden könnte, hat das Fraunhofer-Institut für Systems und Innovationsforschung errechnet. Lange Rechnung kurzer Sinn, der Inlandsbedarf an Energie ist nicht durch regenerative Erzeugung im Inland zu decken. Das liegt an der fehlenden Akzeptanz in der Bevölkerung und an den Umwelt- Bedingungen, die hierzulande nicht sehr wirtschaftlich sind. Bessere Bedingungen für die Herstellung von grünem Wasserstoff herrschen z.B. wie z.B. in Afrika, in Südamerika oder in Island.
Es gibt auch einen politischen Grund: Windkrafträder stehen hierzulande oft still, Grund ist, dass Kohlestrom dann den Bedarf deckt und Windkrafträder nicht einspeisen können.
Würden die deutschen Windkrafträder dann genutzt, um Wasserstoff herzustellen könnte nach einer Berechnung von Toyota Wasserstoffahrzeuge fast 14 Milliarden Kilometer damit fahren.
Elektrizität, Wärmeversorgung, Kälteversorgung, Verkehr und Industrie in all diesen Sektoren wird dringend ein ökologischer praktikabler Energiespeicher gebraucht.
Wasserstoff, Methan, Methanol und Ammoniak sind hoffnungsvolle Kandidaten.
Welche Art der Brennstoffzelle sich in Zukunft durchsetzen wird, wird von vielen Faktoren abhängen. Alle Brennstoffzellen, deren Brennstoff regenerativ gewonnen werden kann, sind jedoch den fossilen Brennstoffen bei weitem überlegen. Auch wenn die Kosten für die Nutzung von Brennstoffzellen anfänglich hoch sein werden, sollten wir so viel gebundenes CO2 wie möglich nicht an die Erdoberfläche und in die Atmosphäre befördern.
Das Prinzip der Brennstoffzelle ist seit 180 Jahren bekannt, wurde zu lange vergessen. Die Einsatzmöglichkeiten sind so vielfältig wie ihr Aufbau und ihre Brennstoffe. Brennstoffzellen werden zukünftig global eine immer wichtigere Rolle spielen.
Nie war die Zukunft so vielversprechend und spannend wie heute. Vielen Dank für das Zusehen, weiterhin viel Spaß an der Neugier bei Romejo.com