Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Allen Wärmekraftmaschinen sind thermodynamische Grenzen gesetzt. Verbrennungsmotoren und thermische Kraftwerke beispielsweise arbeiten nach dem Carnot’schen Gesetz. Dieses besagt: Je höher die Betriebstemperatur, desto höher der mögliche elektrische Wirkungsgrad.

Moderne Gasturbinen haben Eintrittstemperaturen um 1.600 °C und Austrittstemperaturen um 650 °C, was nach Carnot einen idealen Wirkungsgrad von etwa 50 Prozent ermöglichen würde. Doch in der Praxis kann kein Verbrennungsmotor den Carnot’schen Wirkungsgrad tatsächlich erreichen, da der Carnot’sche Kreisprozess lediglich ein idealer Grenzfall ist. Praktisch sind mit Gasturbinen Wirkungsgrade um 35 bis 40 Prozent möglich. Durch Hintereinanderschalten mehrerer Gas- und Dampfturbinen (GuD-Kraftwerke) sind auch Wirkungsgrade von mehr als 60 Prozent erreichbar.

Aufgrund physikalischer und thermodynamischer Beschränkungen erreichen die meisten kleinen und mittleren Stromerzeuger lediglich elektrische Wirkungsgrade von 25 bis 30 Prozent. Stationäre Dieselaggregate und ältere Kraftwerke erreichen Werte von rund 40 Prozent. Fahrzeugmotoren bringen gar nur etwa 18 Prozent der Treibstoffenergie vom Motor über Kupplung und Getriebe bis auf die Fahrbahn.

Für Brennstoffzellen gilt der Gibbs-Helmholtz-Wirkungsgrad:

Dabei sind die Reaktionsenthalpie (Bildungsenthalpie) und die Bildungsentropie Stoffgrößen, deren Wert zum Beispiel für die Bildung von Wasser aus Tabellen entnommen werden kann. Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung ergibt also einen mit abnehmender Temperatur steigenden theoretischen Wirkungsgrad. Zwar gibt es auch hier Grenzen, aber diese bieten einen wesentlich größeren Spielraum für die Optimierung. Je nach Betriebstemperatur (s. Abb. 37) können theoretische Wirkungsgrade von über 80 Prozent, bezogen auf den oberen Heizwert, erzielt werden.

Abb. 37: Wirkungsgradvergleich: Carnot vs. Gibbs-Helmholtz
s. 2. Auflage, S. 140, Abb. 34
Quelle: Fraunhofer ISE

Dies ist allerdings wie der Carnot´sche Wirkungsgrad lediglich ein theoretischer Wert. Reale Brennstoffzellen erreichen zum Teil elektrische Wirkungsgrade von mehr als 60 Prozent, der Wirkungsgrad von Brennstoffzellenfahrzeugen (gas to wheel) liegt bei rund 40 Prozent.

Ursachen für Verluste sind bei Brennstoffzellen:

• elektrischer Widerstand (Ohmsche Verluste) an den Elektroden, Bipolarplatten und Elektronenleitern
• eingeschränkter Grenzflächendurchgang zwischen Elektrolyt und Elektrode (Ladungsverluste)
• eingeschränkter Stofftransport (Coulombsche Reibung, Diffusionsrate)
• ungeeignete Materialwahl der Elektroden und Katalysatoren
• Umgebungseinflüsse (zu niedrige Temperatur)
• Eigenenergiebedarf angeschlossener Komponenten (Peripherie)

Selbst kleine Brennstoffzellen können Wirkungsgrade besitzen, die bisher nur bei großen stationären Kombikraftwerken möglich waren. Den höchsten Wirkungsgrad erzielen Brennstoffzellen im Leistungsbereich zwischen 40 und 60 Prozent der Volllast. Dies ist besonders vorteilhaft im Fahrzeugbereich, weil insbesondere in der Stadt relativ selten im Nennbereich mit hoher Drehzahl, häufig jedoch im Teillastbereich gefahren wird. Ist die Belastung der Brennstoffzelle jedoch zu gering, nimmt der Wirkungsgrad ab, weil die Verluste der Nebenaggregate im Verhältnis ansteigen. Bei höherer Last sinkt die Effizienz nur unwesentlich ab.

Zum Wirkungsgradbegriff muss ergänzt werden, dass hier lediglich vom elektrischen Wirkungsgrad die Rede ist. Der Rest der zugeführten Energie ist natürlich nicht verloren, sondern wird in Wärme umgewandelt. Wird die thermische Energie genutzt, sind Gesamtwirkungsgrade über 90 Prozent möglich. Bei den meisten Anwendungen ist es aber erwünscht, einen möglichst großen Teil der Energie in Form von Strom nutzbar zu machen.

Ein besonderer Vorteil der Brennstoffzelle ist daher die hohe Stromkennzahl. Die Stromkennzahl gibt das Energiemengenverhältnis der erzeugten Elektrizität zur produzierten Wärme an. Da Strom als höherwertige Energieform im Vergleich zu Wärme eingestuft wird, ist hier eine höhere Kennzahl von Vorteil. Konventionelle Aggregate, auch Blockheizkraftwerke, erzeugen im Allgemeinen relativ viel Abwärme. Diese thermische Energie kann jedoch je nach Temperaturniveau nur für bestimmte Anwendungen genutzt werden, zum Beispiel zum Heizen von Gebäuden. Die Brennstoffzelle hingegen produziert viel Strom und nur geringe Mengen thermischer Energie, so dass sie im direkten Vergleich besser dasteht.