Was sind Brennstoffzellen:
und wie funktionieren sie?
26.01.2023 Lesedauer: min Jens Hakenes
Brennstoffzellen gelten als Effizienz-Technologie der Zukunft. Dabei ist die Idee dahinter schon mehr als 180 Jahre alt: Wasserstoff plus Sauerstoff erzeugen Strom und Wärme. Was nun besonders effizientes Heizen ermöglicht, kam vor vielen Jahren schon im Weltall zum Einsatz – und inzwischen auch in einigen Fahr- und Flugzeugen.
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Die wichtigsten Fakten im Überblick
- Brennstoffzellen mit „kalter Verbrennung“ besonders effizient
- Aufbau und Funktionsweise vergleichbar mit Batterie
- Brennstoffzellen liefern neben Strom auch Wärme
- im Einsatz in Heizungen, Zügen, Autos, Nutzfahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen
Was sind Brennstoffzellen? Definition
In einer Brennstoffzelle reagiert ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff aus Erdgas) mit einem Oxidationsmittel (wie Sauerstoff aus Luft). Dabei entstehen Wasser, Strom und Wärme. Diese elektrochemische Reaktion wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet und ist besonders effizient.
Aufbau der Brennstoffzelle
Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist vergleichbar mit dem Aufbau einer Batterie. Beide bestehen aus zwei Elektroden: einer Anode (Pluspol) und einer Kathode (Minuspol). Ein Elektrolyt trennt die Elektroden voneinander und ist zuständig für den Ionen-Transport zwischen Anode und Kathode. Es muss also für Ionen durchlässig sein.
Elektrolyte sind feste, flüssige oder gelartige chemische Substanzen, die Strom leiten können. Bei der PEMFC-Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer dünnen, festen Kunststoffhaut, der Polymer-Membran. PEMFC steht für „Proton Exchange Membrane Fuel Cell“, auf Deutsch: Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Der Elektrolyt von SOFC-Brennstoffzellen besteht hingegen aus der Hightech-Keramik Zirkondioxid, die auch bei hohen Temperaturen wärme- und korrosionsbeständig ist. Die Abkürzung SOFC steht für „Solid Oxide Fuel Cell“, zu Deutsch: Festoxid-Brennstoffzelle. Der wesentliche Unterschied beim Aufbau der zwei Brennstoffzellen-Arten liegt also beim verwendeten Elektrolyt.
Funktionsweise der Brennstoffzelle
Die Funktionsweise von Brennstoffzellen lässt sich ebenfalls mit der von Batterien vergleichen: Durch eine chemische Reaktion zwischen Anode und Kathode entsteht Energie. Chemische Reaktionspartner in der Brennstoffzelle sind Wasserstoff und Sauerstoff.
Das Element Wasserstoff reagiert zusammen mit Sauerstoff wieder zu Wasser. Dieses einfache Prinzip machen sich Brennstoffzellen mit ihrer Funktionsweise zunutze: Ein sogenannter Reformer gewinnt Wasserstoff aus Erdgas oder auch Methanol. In der Brennstoffzelle reagiert dieser Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff aus der Luft. Dabei entstehen Wasser, Strom und Wärme. Diese elektrochemische Reaktion wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet – im Unterschied zur Verbrennung, durch die Motoren oder Turbinen Energie erzeugen.
Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen
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Brennstoffzellen erzeugen in der „kalten Verbrennung“ nicht nur elektrische Energie, sondern auch Wärmeenergie. Ein großer Vorteil, doch nicht nur das macht sie so energieeffizient. Durch das direkte Umwandeln von Energie nutzen Brennstoffzellen den Energiegehalt des eingesetzten Brennstoffs fast vollständig.
Die elektrochemische Energieumwandlung hat noch weitere Vorteile gegenüber der Verbrennung: Die meisten Brennstoffzellen arbeiten vor Ort praktisch schadstofffrei, da sie nur Wasserdampf produzieren. Lediglich das Beheizen des Reformers verursacht Kohlendioxid-Emissionen, weil hier in der Regel konventionelles Erdgas benutzt wird. Auch beim Einsatz von Methanol entsteht CO2.
Noch klimafreundlicher wäre es deshalb, wenn Brennstoffzellen reinen Wasserstoff statt Erdgas als Brennstoff nutzen und damit auf den Reformer verzichten können. Für die Erzeugung von Wasserstoff dürften dazu jedoch ausschließlich erneuerbare Energiequellen genutzt werden. Für den breiten Markt ist das Zukunftsmusik. Möglich ist hingegen schon jetzt das Verwenden von CO2-neutralem Biogas statt Erdgas bei Brennstoffzellen-Heizungen. Ähnlich ist es bei Methanol, das ebenfalls CO2-neutral zu haben ist, aber bisher kaum für Brennstoffzellen verwendet wird.
Außerdem machen Brennstoffzellen bewegliche Teile wie Kolben und Getriebe, die laute Betriebsgeräusche verursachen könnten, weitgehend überflüssig. Das macht sie verschleiß- und wartungsarm.
Ein großer Nachteil der Brennstoffzelle sind ihre vergleichsweise hohen technischen Anforderungen. Diese und die damit verbundenen hohen Kosten bremsten die Technologie über viele Jahrzehnte aus. Zudem decken Heizungen auf Basis von Brennstoffzellen nur den Grundbedarf an Wärme. Hausbesitzer*innen benötigen also zusätzlich einen (in der Regel bereits in Brennstoffzellen-Heizungen integrierten) Gas-Brennwertkessel.
Geschichte der Brennstoffzelle
Die Idee, durch Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff elektrische Energie zu erzeugen, ist schon mehr als 180 Jahre alt. Der britische Physiker und Jurist Sir William Grove hatte herausgefunden, dass sich der Prozess der Elektrolyse, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, auch umkehren lässt. Bereits 1839 präsentierte er eine „galvanische Gasbatterie“, die durch die „kalte Verbrennung“ von Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugte. Messbare Spannung und Stromfluss waren allerdings so gering, dass die Brennstoffzelle sich nicht gegen Erfindungen wie Elektrodynamo und Verbrennungsmotor durchsetzen konnte.
Brennstoffzelle für emissionsfreie Mobilität
In den 1950er-Jahren wurden Brennstoffzellen in U-Booten eingesetzt, in den 1960ern in der Raumfahrt. Hier spielte es keine Rolle, dass die Technik extrem teuer war. Als Hoffnungsträger für einen breiteren Einsatz wurden Brennstoffzellen erstmals in den 1990er-Jahren gehandelt: Sie sollten Großkraftwerke und Hochspannungsleitungen überflüssig machen, Autos abgasfrei fahren lassen und Hausbesitzer*innen zu ihren eigenen Stromproduzenten machen. Die noch immer recht hohen technischen Anforderungen und Kosten verhinderten jedoch den massenhaften Einsatz von Brennstoffzellen.
Große Automobilkonzerne erforschen und testen seitdem allerdings Autos, die mit Brennstoffzellen fahren. Folgende Hersteller haben solche Wasserstoffautos bereits zur Serienreife gebracht:
- Honda
- Hyundai
- Mercedes-Benz
- Renault
- Toyota
- Stellantis (Citröen, Opel, Peugeot)
Einige Auto-Hersteller haben die Serienproduktion jedoch bereits wieder eingestellt beziehungsweise angekündigt, auch in Zukunft nicht auf Brennstoffzellen zu setzen. Dagegen wächst das Angebot bei Nutzfahrzeugen wie Transportern und Lkw.
Wie funktioniert ein Wasserstoffauto?
Im Unterschied zu Elektroautos ziehen sie ihren Strom nicht aus einer Batterie, sondern erzeugen ihn direkt an Bord. Ihr großer Vorteil: Die meisten Elektroautos kommen wegen der begrenzten Batterien heute maximal 400 bis 500 Kilometer weit. Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen hängt die Reichweite dagegen bloß davon ab, wie groß der Tank ist. Aktuell lieferbare Modelle kommen auf 500 bis 750 Kilometer. Das Betanken geht ähnlich schnell wie bei heutigen Diesel- und Benzin-Fahrzeugen. Auch einzelne Nutzfahrzeuge wie Busse sowie einige Schiffe nutzen Brennstoffzellen.
Größter Nachteil sind die Kosten: Elektroautos sind meist wesentlich günstiger in der Anschaffung und auch ihr Treibstoff ist günstiger. Außerdem gibt es deutlich weniger Tankstellen für Wasserstoff – und die Energieeffizienz sowie die CO2-Bilanz sind insgesamt meist schlechter. Denn üblicherweise wird Strom eingesetzt, um Wasserstoff herzustellen und zu verteilen – anstatt ihn direkt in einem Elektroauto zu nutzen.
Brennstoffzelle mit Methanol
Ein weiterer Treibstoff für eine Brennstoffzelle ist Methanol. Der kommt bereits im Sportwagen „Natalie” zum Einsatz. Der Hersteller plant auch ein SUV, einen Lastwagen und einen Kleinwagen mit Methanol-Brennstoffzelle. Ein Nachteil von Methanol ist, dass damit bei einer Brennstoffzelle CO2 entsteht. Durch CO2-neutrales Methanol kann das allerdings ausgeglichen werden. Ein Vorteil ist, dass für Methanol herkömmliche Tankstellen genutzt werden könnten.
Flugzeuge mit Brennstoffzellen
Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Uni Ulm haben ein Flugzeug entwickelt, das von einer PEMFC-Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff angetrieben wird. Der erste Testflug der viersitzigen „HY4“ wurde im September 2016 absolviert. Weitere Tests laufen aktuell am Flughafen Stuttgart. Die H2Fly-Forscher arbeiten inzwischen an Antrieben für Modelle mit 4 bis 40 Passagieren. Als machbar gelten innerhalb von zehn Jahren eine Reichweite von 2.500 Kilometern und bis zu 80 Plätze. Reguläre Passagiere können voraussichtlich ab 2030 mit reinen Brennstoffzellen-Flugzeugen fliegen. Das Unternehmen „Universal Hydrogen” will bereits ab 2025 so weit sein. Es entwickelt Umrüstsätze für Passagierflugzeuge mit etwa 50 bis 70 Plätzen.
Der Anbieter „Zero Avia“ setzt auf einen Hybridantrieb mit Brennstoffzellen und Batterien. Im September 2020 wurde der erste Testflug mit einem kommerziell nutzbaren Flugzeug vermeldet. Nach erfolgreichen Tests mit einem 6-sitzigen Flugzeug wurden in Kalifornien (USA) und Großbritannien 19-sitzige Maschinen vorbereitet. Eine umgerüstete Dornier 228 hatte im Januar 2023 ihren Erstflug. Der Markstart war für 2023 geplant, ist aber inzwischen auf 2025 verschoben. Eine Studie gibt es zudem für ein Flugtaxi (auch Lufttaxi genannt) mit Brennstoffzellen-Antrieb.
Der US-Hersteller Alaka'i arbeitet gemeinsam mit BMW an einem Fünfsitzer namens „Skai”. Google-Mitgründer Sergey Brin plant mit seinem Unternehmen „Lighter Than Air Research” Luftschiffe namens „Pathfinder 1” und „Pathfinder 3” mit Brennstoffzellen-Antrieb.
Züge mit Brennstoffzellen
Auch Züge fahren mit Wasserstoff: Die weltweit ersten Brennstoffzellen-Züge waren von September 2018 bis Februar 2020 im Probebetrieb im deutschen Nahverkehr unterwegs: zwischen Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde und Buxtehude. Regulär fahren Züge mit Brennstoffzellen („Coradia iLint“) seit August 2022 durch Niedersachsen. Mit 1.175 Kilometern Reichweite wurde dort auch ein Weltrekord erzielt. Probleme mit der Reichweite gibt es dagegen im Taunus (Hessen): Dort hat die bislang weltweit größte Flotte an Brennstoffzellen-Zügen noch Startschwierigkeiten.
In Österreich und den Niederlanden gab es ebenfalls bereits Testläufe. Konkrete Pläne existieren zudem in Frankreich, Italien und Schottland sowie in Bayern, Brandenburg, Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und Thüringen. Ab 2023 will die Deutsche Bahn einen Hybrid-Zug (Brennstoffzellen/Strom-Oberleitung/Batterie) von Siemens „Mireo Plus H”) zwischen Tübingen und Pforzheim in Baden-Württemberg testen und ab 2024 regulär einsetzen. Ebenfalls ab 2024 soll der Zug eines weiteren Herstellers („Stadler Flirt H2”) als erster in den USA fahren. Für 2025 ist die weltweit erste Fahrt einer Hybrid-Straßenbahn (Brennstoffzellen/Strom-Oberleitung) in Leipzig oder Dortmund geplant.
