Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 9

Teil 9 | Brennstoffzelle

Wird ĂŒber Wasserstoff gesprochen, dann ist auch das Thema Brennstoffzelle nicht fern. Die Brennstoffzelle (BZ) ist prĂ€destiniert fĂŒr die Umwandlung der im Wasserstoff gespeicherten, chemischen Energie, weil sie im Vergleich zu anderen Energiewandlern einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aufweist. Je nach Brennstoffzellentyp können auch Kohlenwasserstoffverbindungen eingesetzt werden (z. B. Erdgas, Biogas, Propan, s. Kap. 9.4: Alternative EnergietrĂ€ger). Selbst wenn diese nicht fossilen Ursprungs sind, wird dabei doch CO2 freigesetzt, was den Einsatz unter Klimagesichtspunkten fragwĂŒrdig macht.

Die Brennstoffzellentechnologie ist fast 200 Jahre alt (s. Kap. 16.2 Geschichte). Im Jahr 1838 fand Prof. Christian Friedrich Schönbein (1799 bis 1868) an der UniversitÀt Basel experimentell heraus, dass ElektrizitÀt freigesetzt wird, wenn Wasserstoff mit Sauerstoff (oder Chlor) reagiert. Ein Freund Schönbeins, der walisische Richter Sir William R. Grove (1811 bis 1896) erfuhr von diesem Effekt und forschte daraufhin selbststÀndig weiter an diesem Thema. Grove deutete dieses PhÀnomen als die Umkehrung der Elektrolyse und erkannte, dass mit dieser Reaktion elektrische Energie erzeugt werden kann. Er schaltete mehrere einzelne Elemente in Reihe und nannte seine Vorrichtung Gasbatterie (1839). Damals wurde kaum Notiz von seiner Arbeit genommen. Im Nachhinein gilt Grove jedoch als der Erfinder der Brennstoffzelle.

Abb. 32: Sir William Grove
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Wilhelm Ostwald (1853 bis 1932), Direktor des ersten Lehrstuhls fĂŒr physikalische Chemie in Leipzig, erkannte 1887 das Potenzial von Groves Brennstoffzelle:

„Haben wir ein galvanisches Element, welches aus Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert […], dann stehen wir vor einer technischen UmwĂ€lzung, gegen welche die bei der Erfindung der Dampfmaschine verschwinden muss. Denken wir nur, wie […] sich das Aussehen unserer Industrieorte Ă€ndern wird! Kein Rauch, kein Ruß, keine Dampfmaschine, ja kein Feuer mehr…“

HĂ€tten mehr Personen gedacht wie Wilhelm Ostwald, wĂ€re Menschen und Umwelt vermutlich einiges erspart geblieben, zumindest was Luftschadstoffe betrifft. Stattdessen setzten die meisten Ingenieure und Unternehmen in der MobilitĂ€t auf den Verbrennungsmotor, in der Stromversorgung auf thermische Kraftwerke und fĂŒr die WĂ€rmeversorgung auf das simple Verbrennen von (meist fossilen) EnergietrĂ€gern.

Weitere Forschungsarbeiten an der Brennstoffzelle gab es erst um 1945, als der amerikanische Physiker Francis Bacon ein Modell einer alkalischen Brennstoffzelle in seiner Badewanne entwarf. Erneute Entwicklungsarbeiten gab es dann in den 1960er Jahren im Zuge der Raumfahrt und dann wieder in den 1980er Jahren. Intensiviert wurden die Forschungen jedoch erst in den neunziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts. Zur Jahrtausendwende nahm das Interesse am Einsatz der BZ-Technologie dann sprunghaft zu (s. auch Kap. 16.2: Geschichte).

Abb. 33: Dreistufige und einstufige Energieumwandlung
2. Auflage, S. 132, Abb. 31

Der wesentliche Vorteil der Brennstoffzelle liegt in ihrer FĂ€higkeit, chemisch gespeicherte Energie direkt in Strom umzuwandeln. Konventionelle Stromerzeuger benötigen demgegenĂŒber meist einen dreistufigen Umwandlungsprozess (s. Abb. 33). Wird Benzin in einem Verbrennungsmotor eingesetzt, dann muss zuerst die chemisch gespeicherte Energie des Kraftstoffes in der Brennkammer des Hubkolbenmotors freigesetzt werden. Die dabei abgegebene thermische Energie bewirkt eine VolumenĂ€nderung, wodurch Bewegungsenergie erzeugt wird, indem ein Kolben heruntergedrĂŒckt wird. Diese kinetische Energie treibt eine Welle an, so dass mit Hilfe eines Generators elektrische Energie erzeugt wird. WĂ€hrend dieser Prozedur treten an mehreren Stellen Verluste auf, weil der Gesamtwirkungsgrad mit jeder Umwandlung weiter abnimmt.

Eine Brennstoffzelle hingegen kann direkt die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Strom umwandeln. Dieser kĂŒrzere Weg ermöglicht rein physikalisch einen höheren Wirkungsgrad. DarĂŒber hinaus besitzt die Brennstoffzelle keinerlei bewegliche Teile, so dass keine Reibungsverluste und damit auch kein Verschleiß und kaum GerĂ€usche auftreten.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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