In den letzten Jahren kommen

Transkript

1 Brennstoffzellen Motoren der Zukunft? Brennstoffzellen vermeiden Umweltverschmutzung vor Ort in der Gesamtbilanz haben sie das Potenzial zur saubersten Energiequelle Gregor Hoogers Industrie und Brennstoffzellenantriebe beschäftigen seit einigen Jahren Automobilmanager, Wissenschaftler und Ingenieure, die eine umweltfreundliche Alternative zu den heutigen Kraftfahrzeugen suchen. Gleichzeitig beflügeln sie die Phantasie von Journalisten und Bürgern nicht immer mit realistischen Einschätzungen, denn trotz der gewaltigen Fortschritte bei der Entwicklung dieser Technologie ist noch ein weiter Weg bis zur Serienreife zu gehen. Es zeichnen sich aber inzwischen auch andere Anwendungen ab, die bereits in wenigen Jahren zum Alltag gehören werden. In den letzten Jahren kommen Brennstoffzellen immer wieder in die Schlagzeilen. Verschiedene Automobilfirmen sehen in dieser Technologie mittel- bis langfristig die Zukunft des Fahrzeugantriebs und das Ende des Verbrennungsmotors, da sie sauberere Kraftfahrzeuge und geringeren Energieverbrauch verspricht (Abb. 1). Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren wandelt eine Brennstoffzelle zugeführte chemische Energie unmittelbar und sehr effizient in elektrische Energie um, ohne sich dabei wie eine Batterie selbst zu verbrauchen. Als nicht-thermischer Energiewandler unterliegt die Brennstoffzelle daher nicht der theoretischen Obergrenze, die durch den Carnot- Wirkungsgrad und die technische Obergrenze für die Betriebstemperatur gegeben ist (ca. 35 % im günstigsten Fall, aber praktisch unter 20 %). Geeignete Brennstoffe sind vor allem Wasserstoff, aber bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen auch Erdgas oder Flüssiggas. Triebfeder dieser Entwicklung ist vor allem die hohe Luftverschmutzung nordamerikanischer, aber auch neu entstehender Ballungsräume in Schwellenländern. In den frühen 90er Jahren sah es zunächst so aus, als setze man zur Lösung dieser Probleme auf Batteriefahrzeuge. Schnell stellte sich jedoch heraus, dass die Reichweite solcher Kraftfahrzeuge inakzeptabel war, was sogar zu einer Abschwächung der gesetzlichen Verordnung des California Air Resources Board (CARB) zur Einführung von Zero Emission Vehicles (ZEVs) in Kalifornien führte. Dennoch sollen in Kalifornien ab 2003 zehn Prozent der verkauften Fahrzeuge eines Herstellers ZEVs sein. Brennstoffzellen sind aber erheblich vielseitiger, und es ist zu erwarten, dass man in wenigen Jahren diese Technologie in vielen Lebensbereichen finden wird, wahrscheinlich bevor sie ihren Siegeszug im Automobil antreten wird. Der zweite Frühling der Brennstoffzellen In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser (s. Infokasten Funktionsprinzip der Brennstoffzelle). Eine Zelle besteht prinzipiell aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten, der ionen-, aber nicht elektronenleitend ist. Hierdurch gelingt es, die chemische Reaktion in Teilreaktionen (Elektrodenreaktionen) aufzuspalten und den Elektronentransfer in einem externen Stromkreis nutzbar zu machen. Man unterscheidet die verschiedenen Brennstoffzellen nach den verwendeten Elektrolyten (vgl. Tab. 1). In der Suche nach geeigneten Elektrolyten liegt wohl der wichtigste Grund für den langen Weg, den diese Technologie bis zur Marktreife zurückgelegt hat. Dabei bleibt der Elektrolyt auch heute ein Kernthema der Brennstoffzellenforschung und -entwicklung. Nach Groves Entdeckung des Brennstoffzellenprinzips durch Umkehrung der Wasserelektrolyse in der ersten Hälfte des vorigen Jahrhunderts untersuchte man erst gut 100 Jahre später wieder Brennstoffzellen. Diese Arbeiten sind ohne Anspruch auf Vollständigkeit verbunden mit Namen wie Gerischer, Sandstede, Kordesch, Vielstich, Liebhafsky, Niedrach, Justi und Winsel. Bei der Lektüre einschlägiger Werke [1] wird deutlich, welche ungeheuren Leistungen (einschließlich dem Bau von Versuchsfahrzeugen) damals schon vollbracht wurden, und dass Brennstoffzellen inzwischen mindestens ihren zweiten Frühling erleben. Abb. 1: Zwei Brennstoffzellenbusse (Prototypen) der Firma Ballard Power Systems für den Testbetrieb in Chicago. Der Dachbereich dieser Busse bietet ausreichend Raum für Wasserstoff in Druckflaschen. In Verbindung mit dem Brennstoffzellenantrieb verleiht dieses Konzept den Bussen vergleichbare Leistungsdaten und gleiches Platzangebot wie ein Dieselantrieb. Einziges Abgas: reines Wasser (Foto: Ballard Power Systems). Alkali-Brennstoffzellen Bei Brennstoffzellen auf alkalischer Basis (KOH-Elektrolyt) vollbrachte vor allem Bacon Pionierleistungen. Nach Versuchen mit Ionenaustauschmembranen (General Electrics) in den ersten Raumfahrtprojekten der 60er Jahre (Gemini) griff man u. a. aufgrund der begrenzten Lebensdauer dieser frühen Membranen zurück auf Bacons Technologie der alkalischen Brennstoffzelle [2]. Nach Weiterentwicklung durch Pratt and Whitney hielt die Alkaline Fuel Cell (AFC) ihren Einzug in die Raumfahrt mit Einsätzen bei den Apollo-Raumfahrzeugen [2]. Auch der Space Shuttle verwendet weiterhin diesen Typ der Brennstoffzelle. Der Raketentreibstoff Wasserstoff und Sauerstoff, die Vibrationsfreiheit und die Trinkbarkeit des Reaktionsprodukts waren hier ausschlaggebend wobei die Kosten in den Hintergrund traten. In Großbritannien verwenden einige Londoner Taxis seit 1998 eine kleine, wasserstoffbetriebene AFC (ca. 5 kw) zum Nachladen eines Batterieantriebs. Hauptproblem der AFC in Automobilantrieben ist jedoch die Vergiftung des Elektrolyten durch Carbonate, die durch /00/ $ /0 WILEY-VCH Verlag GmbH, D Weinheim, 2000 Prof. Dr. Gregor Hoogers, Fachhochschule Trier, Umwelt-Campus Birkenfeld, Postfach 1380, Birkenfeld, hoogers@ umwelt-campus.de 53

2 Industrie und CO 2 beim Betrieb mit Luft statt Sauerstoff an der Kathodenseite, aber viel erheblicher beim Einsatz von reformiertem Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen an der Anode eintritt. Daher wird sich der Einsatz der AFC in den nächsten Jahren allenfalls auf solche Anwendungen beschränken, die bequem auf reinsten Wasserstoff zurückgreifen können, also z. B. Gepäckfahrzeuge auf Flughäfen, Gabelstapler und Busse. Abb. 2: Eine Membran-Brennstoffzelle kombiniert Anode, Kathode und Membranelektrolyt in einer sehr kompakten Membran-Elektrode-Einheit (engl. MEA). Diese Einheit erzeugt pro Quadratzentimeter eine Leistung von bis zu einem Watt. Gasverteilerplatten auf beiden Seiten versorgen die MEA über Kanäle mit Wasserstoff (Anode) bzw. Luft (Kathode). Die Einzelzelle ist modular und kann leicht zu einem Brennstoffzellen-Stapel ( Stack, links) kombiniert werden, wobei sich die Einzelspannungen zur gewünschten Betriebsspannung addieren (ca. 0,5 V pro Zelle). Tabelle 1: Die verschiedenen Brennstoffzellentypen (BZ) und ihre Anwendungen Membran-Brennstoffzellen Für den Antrieb von Pkws ist Wasserstoff in Druckflaschen weniger geeignet, zum einen wegen des Raumbedarfs, zum anderen wegen der fehlenden Infrastruktur für die Betankung. Daher ist man dazu übergegangen, aus Kohlenwasserstoffen und Alkoholen (vor allem Methanol) ein wasserstoffreiches Reformat zu erzeugen ( Reformierung ). Großtechnisch wird Wasserstoff aus der Dampfreformierung von Erdgas gewonnen. Für Kraftfahrzeuge bietet sich vor allem flüssiges Methanol wegen seiner leichten Reformierbarkeit an. Als Brennstoffzelle verwendet man die so genannte Membran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), deren Aufbau in Abb. 2 gezeigt ist. Herzstück ist die sog. Membran-Elektroden-Einheit (Membrane Electrode Assembly, MEA), die in einer dünnen Schicht von einigen Zehntel Millimetern bereits alle Komponenten einer Brennstoffzelle enthält: Anode und Kathode, die aus dünnen Edelmetallkatalysatoren auf porösen Substratschichten bestehen, sowie den Elektrolyten, der hier als protonenleitende Membran realisiert ist. Diese kompakte Einzelzelle lässt sich nun leicht zu Brennstoffzellen- Stapeln ( Stacks ) verarbeiten, in denen die Betriebsgase über wenige Millimeter dünne Gasverteilerplatten, z. B. über eingefräste Kanäle, den beiden Elektroden zugeführt werden. Zelltyp Elektrolyt Betriebs- Brennstoff (geplante) temperatur [ C] Anwendung Solid Oxide Y 2 O (reformiertes) CH 4 Blockheizkraftwerke Fuel Cell (SOFC) stabilisiertes ZrO 2 (BHKW) für Haushalte, Oxidkeramische BZ Großkraftwerke, Stromversorgung für PKW Molten Carbonate Li 2 CO 3 /K 2 C (reformiertes) CH 4 Großkraftwerke Fuel Cell (MCFC) O 3 Schmelzkarbonat BZ Phosphoric Acid H 3 PO reformiertes CH 4, BHKW im 100 kw- Fuel Cell (PAFC) (2 % CO) Bereich Phosphorsaure BZ Alkaline Fuel KOH reiner H 2 Spezialanwendungen Cell (AFC) (Raumfahrt usw.) Alkalische BZ Proton Exchange Ionenaustausch reiner H 2 oder KFZ-Antrieb, tragbare Membrane Fuel Cell membran reformiert aus CH 3 OH, Kleingeräte, BHKW für (PEMFC) (z. B. Nafion ) CH 4, Benzin, Diesel Haushalte, Stromver- Membran BZ (< 10 ppm CO) sorgung für PKW Direct Methanol Ionenaustausch CH 3 OH tragbare Kleingeräte, Fuel Cell (DMFC) membran BHKW für Haushalte? Methanol BZ (z. B. Nafion ) Stromversorgung für PKW? Der größte Vorteil der Membran- Brennstoffzelle liegt darin, dass sie von allen Typen die höchste Leistungsdichte erreicht (über 1kW/ Liter), was sie derzeit als einzige Brennstoffzelle für den Antrieb von Personenkraftwagen qualifiziert. Die von DaimlerChrysler und Toyota 1997 vorgestellten Brennstoffzellen-Pkw fuhren mit einer Membran-Brennstoffzelle. Fast alle namhaften Automobilfirmen haben sich inzwischen dem Vorreiter Daimler- Chrysler in der ehrgeizigen Zielsetzung angeschlossen, Brennstoffzellenfahrzeuge noch vor 2005 in Serie zu produzieren. Der dritte der Big Three der amerikanischen Automobilindustrie, General Motors, gründete hierzu eigens das Global Alternative Propulsion Center (GAPC) u. a. mit einer Arbeitsgruppe in Mainz-Kastel. Es ist damit zu rechnen, dass die Membran-Brennstoffzelle durch ihren Kostenvorteil als Folge der zu erwartenden Massenproduktion die AFC weitgehend verdrängen wird. Ein der Leistungssteigerung der Stacks vergleichbarer, aber weniger sichtbarer Fortschritt hat sich bei der Entwicklung der MEA-Elektroden vollzogen. So konnte der Verbrauch von Platin für die beiden Elektroden durch enge Zusammenarbeit der Firmen Ballard und Johnson Matthey bei gesteigerter Leistung um mehr als eine Größenordnung gesenkt werden [3]. Mit den neuartigen Elektroden wurden Stacks mit einer Lebensdauer von mehreren Tausend Stunden betrieben, sowohl im Betrieb mit Wasserstoff als auch mit Reformergas [3]. Methanol-Brennstoffzellen Eine besondere Bauform der Membran-Brennstoffzelle wird mit Methanol anstelle von Wasserstoff betrieben (Direct Methanol Fuel Cell DMFC). Die Aktivität der Brennstoffzellen-Anode für die Oxidation von Methanol ist leider viel geringer als bei Wasserstoff. Außerdem entstehen bei diesem Typ zusätzliche Verluste durch den Transfer von Methanol zur Kathode. Daher liegen die derzeit mit dieser Technologie erreichten Leistungsdichten nur bei ca. einem Viertel der gewöhnlichen Zellen [4]. Allerdings entfällt hier das Problem der Wasserstofferzeugung, weshalb die DMFC vor allem für Kleinsysteme im Leistungsbereich unter 1 kw interessant ist, zum Beispiel für den Betrieb von Laptops. Unter ande- 54

3 rem wegen ihres hohen Edelmetallbedarfs ist die DMFC für den Automobilsektor jedoch auf absehbare Zeit zu teuer. Brennstoffzellen mit höheren Betriebstemperaturen Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) erzielte in den vergangenen Jahren erste kommerzielle Erfolge. Mit ihrer höheren Betriebstemperatur um 200 C, aber geringen Leistungsdichte eignet sich diese Brennstoffzelle gut für stationäre Anwendungen mit Kraft-Wärme- Kopplung. Ihr elektrischer Wirkungsgrad ist mit etwa 40 % jedoch zu gering für die reine Stromerzeugung. Die Firma ONSI hat inzwischen einige hundert Blockheizkraftwerke mit 200 kw Leistung installiert. Ein Vorteil der PAFC ist ihre Toleranz von ca. 1 % CO und von CO 2 im Brennstoffgemisch. Aufgrund der höheren Betriebstemperatur eignen sie sich jedoch schlechter für den Teillastbetrieb [5]. Hochtemperatur-Brennstoffzellen verwenden geschmolzene Karbonate (Schmelzkarbonat-BZ, MCFC) oder Oxidkeramiken (oxidkeramische BZ, SOFC) als Elektrolyten (vgl. hierzu [6]). Wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgrades können diese Brennstoffzellen mit konventionellen Kraftwerken für die reine Stromerzeugung konkurrieren. Außerdem ermöglicht ihre hohe Betriebstemperatur von 650 bzw C eine direkte Verwendung von Erdgas als Brennstoff (interne Reformierung). Industrie und Abb. 3: Brennstoffzellen-Stapel für den Automobilsektor von Ballard. Die elektrische Gesamtleistung der Stacks wurde in den letzten Jahren dramatisch gesteigert (5 kw 10 kw 28 kw 50 kw). Die Leistungsdichte der Stacks hat sich von ca. 100 W pro Liter (1990, links) auf über 1100 W pro Liter erhöht (Foto: Ballard Power Systems). Funktionsprinzip der Brennstoffzelle Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle ist älter als das unserer heutigen Verbrennungskraftmaschinen. Sir William Grove erkannte schon 1839, dass sich die heute allgemein aus dem Schulunterricht bekannte Elektrolyse von Wasser mithilfe von Platinelektroden auch umkehren lässt, wobei in einer kontrollierten elektrochemischen Reaktion Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser reagieren, sobald ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Elektroden hergestellt wird (Abb. i). Die Reaktionsrate ist hierbei proportional zur Stromstärke. Mit anderen Worten, der Umsatz der Reaktanden hängt vom elektrischen Widerstand zwischen den Polen ab. Ein Strom fließt, da sich an den Elektroden ein elektrochemisches Potential einstellt, theoretisch ca. 1,2 V an der Kathode (Luft bzw. Sauerstoffseite) und 0 V an der Anode (Wasserstoffelektrode), entsprechend den beiden Halbreaktionen O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O (E 0 = 1,23 V) und H 2 2H + + 2e (E 0 = 0 V) Bei Stromentnahme fällt die Spannung zwischen den beiden Elektroden ab. Hierin äußert sich die Aktivierungsenergie vor allem der Kathodenreaktion, die zu einem sog. Überpotential führt, das der nutzbaren Zellspannung verloren geht. Da die Umsatzrate des Brennstoffs nur von der Stromstärke abhängt, kann die Effizienz der Brennstoffzelle unmittelbar an der Zellspannung abgelesen werden: D. h., wenn die Spannung auf ca. 0,6 V fällt, beträgt der Wirkungsgrad 50 %. Die Effizienz einer Brennstoffzelle hängt unter anderem von der aktiven Metalloberfläche des Katalysatormaterials ab. Die Kathode arbeitet also um so effizienter, je mehr Katalysator vorhanden ist (teuer), je besser er ausgenutzt wird (hohe Dispersion, optimierte Elektrodenstruktur) und je höher die intrinsische Austauschstromdichte des Katalysatormetalls ist (Katalysatorforschung). Trotz intensiver Forschung sind Platin und seine Legierungen bis heute die aktivsten Katalysatoren [14]. Abb. i: Wasserstoffgas diffundiert an der Anode zur aktiven Elektrodenschicht, wo ein Edelmetall-Katalysator Wasserstoff in Protonen (H + ) und Elektronen zerlegt. Die Protonen gelangen durch die Membran zur Kathode, während die Elektronen durch den externen Stromkreis fließen. An der Kathode reagiert Luftsauerstoff mit Protonen und Elektronen zu Wasser. Auch hier wird die Reaktion von einem Edelmetall (i. d. R. Platin) katalysiert. Anwendungen: Laptops, Autos und Kraftwerke Der potenzielle Markt für Brennstoffzellen mit Leistungen bis ca. 1 kw ist stark zersplittert. Die amerikanische Firma H-Power entwickelte Stromversorgungen für mobile Lichtzeichenanlagen für den Straßenverkehr. H-Power arbeitet hier sowohl mit Wasserstoff aus Druckflaschen als auch mit Ammoniak-Reformern, die die Wartungsintervalle von Anlagen in abgelegenen Regionen im Vergleich zu Batterie- und Photovoltaiksystemen drastisch verlängern. Interessant ist dieser Markt weniger wegen seiner Größe als wegen seiner Kostentoleranz : Die geringen Stückkosten lassen einigen Spielraum, um mit verschiedenen Prototypen Erfahrung zu sammeln, und ermöglichen eine allmähliche Markteinführung der Brennstoffzellen. Es gab in den vergangenen Jahren außerdem Interesse bei Firmen wie Honda, kleine Brennstoffzellen in tragbaren Generatoren einzusetzen. Hier könnte man eventuell mit kleinen Druckflaschen, mit Metallhydridspeichern oder mit sehr kompakten Reformern arbeiten. Methanolbrennstoffzellen mit einer Leistung von wenigen Watt sind interessant für die Versorgung von Laptops (Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg) und Mobiltelefonen (ERD, Motorola). Ziel ist hier eine Verlängerung der Betriebsdauer, allerdings in direkter Konkurrenz zu neuen Batteriesystemen. Es ist fraglich, ob es auf diesem Sektor gelingen wird, innerhalb der nächsten Jahre das Kosten- Nutzen-Verhältnis zugunsten der Brennstoffzelle zu verschieben. Automobilsektor Die derzeit faszinierendsten Anwendungen der Brennstoffzellentechnologie kommen sicherlich aus dem Automobilbereich. Die rasante Entwicklung in den letzten zehn Jahren ist vor allem zwei Faktoren zu verdanken: der Verfügbarkeit langzeitstabiler Ionenaustausch- 55

4 Industrie und membranen aus der Chloralkali- Elektrolyse (Nafion, DuPont) und den technischen Fortschritten der kanadischen Technologiefirma Ballard Power Systems und ihrer Partner. Abbildung 3 zeigt anschaulich die erzielte Leistungssteigerung vom Ende der achtziger Jahre bis heute. Der gezeigte 25 kw-stack ist Abb. 4: Dieser von DaimlerChrysler 1997 vorgestellte Prototyp erzeugt im Fahrzeug Wasserstoff aus Methanol. Der 50 kw Brennstoffzellenantrieb erzielt mit einer Betankung von 40 Litern Methanol eine Reichweite von 400 km (Foto: DaimlerChrysler) eine Gemeinschaftsentwicklung von Ballard und damals noch Daimler Benz. Die 1997 gebildete Allianz zwischen Ballard, DaimlerChrysler und etwas später Ford rückte den Brennstoffzellen-PKW in den Bereich des Machbaren. Diese Zusammenarbeit umfasst weiterhin die neu gegründeten Firmen dbb fuel cell engines GmbH (seit Februar 2000: Xcellsis) für die Brennstoffzellen-Systementwicklung, Ecostar für elektrische Antriebe und Ballard Automotive als Vermarktungsorganisation. Aus dieser Zusammenarbeit geht der nächste Prototyp NE- CAR 5 hervor, der voraussichtlich in diesem Jahr präsentiert wird. Wasserstoffbetriebene Stadtbusse waren 1995 die ersten Fahrzeuge im praktischen Einsatz. Busse bieten sich gleich aus mehreren Gründen an: Im Dachbereich ist ausreichend Raum für Wasserstoff aus Druckflaschen vorhanden. Die Kosten des Busantriebs sind neben den Betriebs- und Personalkosten weniger erheblich. Außerdem sind solche Busse abends im Depot leicht zentral mit Wasserstoff aufzutanken und ermöglichen umweltbewussten Stadtvätern einen aktiven Beitrag zum Umweltschutz. Es ist daher nicht verwunderlich, dass hierin der Einstieg ins Zeitalter der mobilen Brennstoffzelle gesehen wird und Ballard Automotive aktiv Partnerschaften mit Busherstellern sucht. Der von DaimlerChrysler und Evo- Bus gebaute NEBUS besitzt inzwischen die TÜV-Zulassung. Die Proton Motor GmbH arbeitet in Deutschland ebenfalls an BZ-Bussen. Bei Personenkraftwagen ist noch offen, ob das erste Serienauto mit Methanol oder mit reinem Wasserstoff fahren wird. Sehr erfolgreich haben die Firmen DaimlerChrysler bzw. dbb in den vergangenen Jahren eine ganze Serie von NE- CAR -Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb vorgestellt. Die Präsentation des NECAR 3 war 1997 insofern ein Meilenstein, als im Gegensatz zu früheren Testfahrzeugen NECAR 3 mit Wasserstoff aus einem Methanolreformer angetrieben wird. Hierdurch wurde das Wasserstoff-Speicherproblem entschärft NECAR 3 fährt mit einer Tankfüllung von 40 l Methanol 400 km weit (Abb. 4). Die Energiedichte von Methanol ist halb so hoch wie die von Benzin oder Diesel, also durchaus mit der heutigen Kraftstoffversorgung vergleichbar. Die Energiedichte von flüssigem Wasserstoff ist nur ein Viertel so hoch wie die der konventionellen Kraftstoffe. Wie DaimlerChrysler 1999 demonstrierte, reicht das jedoch aus, um einen Kleinwagen der A- Klasse mit gleichem Platzangebot wie ein herkömmliches Fahrzeug mit reinem Wasserstoff anzutreiben. NECAR 4 wird derzeit u. a. in München getestet, wo BMW bereits vor einigen Jahren eine vollautomatische Wasserstofftankstelle installiert hat. Stationäre Systeme Heizkessel fristen gegenüber schmucken neuen Automobilen ein Schattendasein. Das bedeutet aber nicht, dass der kommerzielle Einsatz von Brennstoffzellen in der stationären Energieerzeugung wirtschaftlich und umweltpolitisch weniger attraktiv ist. Derzeit haben stationäre Anwendungen außerdem erhebliche Kosten- und Systemvorteile. Man sollte zunächst zwischen reiner Stromerzeugung in Großanlagen (viele MW), Kraft-Wärme- Kopplung in Blockheizkraftwerken und Kleinanwendungen unterscheiden. Bei Großkraftwerken kann in der Regel die anfallende Wärme nicht sinnvoll genutzt werden. Solche Kraftwerke müssen sich also mit den besten derzeit verfügbaren konventionellen Kraftwerken (Gasturbinen erreichen Wirkungsgrade von über 60 %) messen lassen. Nur die oxidkeramische Brennstoffzelle und die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle erreichen Systemwirkungsgrade (Wirkungsgrad des Gesamtsystems im Gegensatz zur Brennstoffzelle allein) im Bereich von über 60 %. Außerdem erlauben die hohen Betriebstemperaturen dieser Brennstoffzellen teilweise den unmittelbaren Einsatz von Erdgas, die sog. interne Reformierung. Mit Gasturbinen gekoppelte Systeme könnten sogar noch höhere Wirkungsgrade erreichen. Der höchste Systemwirkungsgrad der phosphorsauren Brennstoffzelle liegt bei ca. 42 %. Daher werden solche Anlagen, wie auch neuerdings die Membranbrennstoffzelle, in der Größenordnung von einigen 100 kw gebaut und als Blockheizkraftwerke (BHKW) betrieben, jedoch nicht als Großkraftwerke. Mit einigen hundert installierten Anlagen der Firma ONSI verfügt man hier bereits über erhebliche Betriebserfahrung wurde ein 250 kw-bhkw mit Membranbrennstoffzellen in Berlin installiert. Ballard Generation Systems, ein Konsortium der Firmen Ballard, Alstom und GPU, hat bei PEMFC- Systemen die Vorreiterrolle übernommen. Bei den Mini-Blockheizkraftwerken für Ein- und Mehrfamilienhäuser (bis ca. 20 kw) gibt es geografisch bedingt unterschiedliche Märkte. In Ländern mit geringer Besiedlungsdichte ist der Aufwand für den Netzanschluss mancher Verbraucher so hoch, dass eine dezentrale Lösung kostengünstiger ist. Das gilt sowohl für die Anschlusskosten als auch für die Leitungsverluste. Firmen wie Plug Power, Northwest Power Systems und American Fuel Cell Corp. gehen davon aus, dass Energieerzeuger ihren Kunden solche dezentralen Lösungen anbieten, indem sie die Installation von Minikraftwerken auf der Basis von Erd- oder Flüssiggas übernehmen und anschließend den erzeugten Strom vor Ort verkaufen. Etwas anders gelagert ist der Ansatz in Europa. Hier versprechen Mini-Blockheizkraftwerke eine bessere Ausnutzung der Primärenergie, in der Regel Erdgas. Gerade für kleinste Versorgungseinheiten wie moderne Einfamilienhäuser ist hier ein hoher Stromanteil an der Gesamtleistung wichtig. Hierdurch haben Brennstoffzellensysteme gegenüber Motor-Blockheizkraftwerken einen natürlichen Vorteil. Außerdem erhofft man sich von 56

5 Brennstoffzellensystemen, die nur wenige bewegliche Komponenten enthalten, einen verringerten Wartungsaufwand gegenüber Motor- BHKWs. In Deutschland will die Firma Vaillant in Partnerschaft mit Plug Power dieses System in den kommenden zwei Jahren entwickeln und vermarkten. Während das Vaillant-System auf einer Membranbrennstoffzelle mit vorgeschaltetem Reformer (und zusätzlichem kleinen Brenner für die Wärmeerzeugung) beruht (Abb. 5), entwickelt die Firma Sulzer Hexis (Schweiz) Systeme auf der Basis der oxidkeramischen Brennstoffzelle [7]. Das erleichtert einerseits den Betrieb mit Erdgas. Andererseits erlauben die hohen Temperaturen eine gute Wärmeauskopplung im Gegensatz zu den bei nur etwa 80 C arbeitenden PEM-Systemen. Eine große technologische Herausforderung stellen hingegen die nicht unerheblichen Werkstoffprobleme bei den zu meisternden Temperaturen und Lastzyklen dar. Wie umweltschonend sind Brennstoffzellen? In vielen Veröffentlichungen zum Thema, vor allem in der breiteren Medienlandschaft, findet man immer wieder abenteuerliche Vorstellungen von den Segnungen dieser Technologie. Überschriften wie Wonder car runs on water und Ähnliches sind hier nicht selten. Auch hört man häufiger den Kommentar, dass mit dem Treibstoff Wasserstoff dann ja alle Probleme der fossilen Energieversorgung gelöst seien. Eine Einschätzung des positiven Einflusses von Brennstoffzellen auf die Umwelt erfordert indessen eine differenziertere Betrachtung. Welche Umweltprobleme beabsichtigt man zu lösen? Triebfeder für die Entwicklungstätigkeit der letzten Jahre war zunächst die Vermeidung lokaler Emissionen im Straßenverkehr, also Stoffen wie CO, NO x, SO x, Kohlenwasserstoffen und Partikeln. Die Brennstoffzelle mit Reformersystem arbeitet hier nach neueren Studien um ein Vielfaches sauberer, als es die Euro- Norm vorschreibt [8]. Die wasserstoffgetriebene Brennstoffzelle ist sogar ein echtes zero emission vehicle. Kleiner Vorsprung bei der CO 2 -Reduktion Ein weiteres wichtiges Ziel des Umweltschutzes ist die Reduktion von CO 2 -Emissionen. Grob gesprochen erreicht man dieses Ziel durch die Steigerung des Wirkungsgrades von Energiewandlungssystemen unter Berücksichtigung aller Faktoren von der Quelle zum Rad. Mit Abb. 5: Konzept eines Brennstoffzellen-Heizgeräts der Firma Vaillant (links). Das System soll Strom und Wärme im Koppelprozess mit einem Gesamtwirkungsgrad von über 80 % erreichen (elektrischer Wirkungsgrad: %). Die Brennstoffzelle kann den größten Teil des Wärme- anderen Worten, der Energieaufwand für Produktion und Verteilung des Kraftstoffes wird der Kilometerleistung des Fahrzeugs gegenübergestellt. Die obige Studie [8], aber auch z. B. Arbeiten der Gruppe von Höhlein [9] zeigen hier einen (kleinen) Vorsprung des methanolgetriebenen Brennstoffzellenfahrzeugs mit Reformer vor der derzeit eingesetzten Verbrennungstechnologie. Vor allem am hohen Aufwand für eine komplette Erneuerung der Fahrzeugtechnik, mit dem diese Fortschritte erkauft werden, macht sich die jüngste Kritik des Umwelt-Bundesamtes fest [10]. Ein mit flüssigem Wasserstoff betriebenes Brennstoffzellenfahrzeug ist sicherlich aufgrund seiner hohen Reichweite besser geeignet als ein Batteriefahrzeug, um als ZEV in urbanen Zentren die lokale Luftverschmutzung zu bekämpfen. In ähnlicher Weise wie bei Batteriefahrzeugen werden aber auch hier die Emissionen vor allem verlagert. Der für die Verflüssigung von Wasserstoff erforderliche Energieaufwand beträgt rund 30 % des gesamten Energiegehalts neben einer Abdampfrate von 1 % pro Tag. Unter Einbeziehung der gesamten Energiekette Erdgas, Wasserstoff, elektrische und mechanische Energie sieht die Gesamtenergiebilanz alles in allem nicht besser aus als bei einem fortschrittlichen konventionellen Antrieb, also für die CO 2 -Bilanz etwa gleich, für NO x und SO x besser. und Strombedarfs decken. Ein Gerät der Firma Sulzer Hexis mit ca. 1 kw elektrischer Leistung wird bereits in Wohnhäusern getestet. Das rechte Foto zeigt den Prototyp dieses Heizgerätes mit Hochtemperatur-Brennstoffzelle für den Haushalt. Für eine umweltschonende Brennstofftechnologie muss man einerseits Wege finden, Wasserstoff in ausreichenden Mengen nicht-fossil, d. h. CO 2 -neutral zu erzeugen. Zum anderen wären bessere Speichermethoden willkommen. Trotz zunächst übersteigerter Erwartungen ist die Speicherung von Wasserstoff in Kohlenstofffibrillen weiterhin ein aktuelles Forschungsthema. Hierdurch ließen sich vielleicht Energiebilanz und Raumbedarf für die Speicherung von Wasserstoff noch erheblich verbessern. Bleibt also zunächst die Verwendung von Methanol in Verbindung mit einem Kraftstoffreformer. Natürlich gibt es derzeit ebenso wenig eine Methanol- wie eine Wasserstoffinfrastruktur. Die Frage, ob man nicht doch lieber einen Benzinreformer einsetzen sollte, wird daher immer noch kontrovers diskutiert, und auf absehbare Zeit werden sicherlich beide Wege verfolgt. Fürsprecher von Benzin finden sich erwartungsgemäß vor allem in der petrochemischen Industrie. DaimlerChrysler setzt zwar in der nahen Zukunft auf Methanol, Industrie und 57

6 Industrie und hält sich aber die in einer Kollaboration mit Shell Hydrogen (bis Ende Februar 2000) entwickelte Reformer-Technologie für konventionelle Kraftstoffe [11] als Option offen. Im stationären Einsatzbereich ist die Situation einfacher. Effizienzsteigerungen bei Großkraftwerken sind möglich durch Einsatz von Hochtemperatur-Brennstoffzellen, ggf. in Kombination mit konventionellen Techniken wie Gasturbinen. Weiterhin ist der Ausbau der dezentralen Energieversorgung unter Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung der reinen Stromerzeugung unter dem Gesichtspunkt der Primärenergienutzung prinzipiell überlegen. Sowohl PAFC wie PEMFC als auch SOFC-Systeme werden hier zurzeit favorisiert, letztere beiden auch in kleinen Anlagen für private Wohnhäuser. Größter Vorteil ist der höhere Stromanteil dieser Brennstoffzellensysteme. Schließlich ist die Brennstoffzelle auch bei reiner Stromerzeugung im Inselbetrieb interessant, wenn damit die Netzverluste und der Aufwand der Netzinstallation aufgewogen werden. Bei stationären Anwendungen wird meist Erdgas als Brennstoff eingesetzt. Seit kurzem gibt es in Köln eine PAFC-Anlage, die aus Klärgas Strom und Prozesswärme erzeugt [12]. Die Verwendung von Biogas macht solche Systeme nicht nur regenerativ, sondern vermeidet zudem Methanemissionen aus der Vergärung biologischer Abfälle, die mit für den Treibhauseffekt verantwortlich sind. Reversible Zellen Ein noch wenig beachteter Beitrag der Brennstoffzellentechnologie zur umweltfreundlichen Energieversorgung ist die mögliche Nutzung hocheffizienter reversibler Brennstoffzellen, die bei Überschuss elektrische Energie in Brennstoff umwandeln können, der dann wieder als gespeicherte chemische Energie zur Verfügung steht. Als mittlerer bis großer Energiespeicher könnten solche Systeme wichtiger Bestandteil der regenerativen Energieerzeugung werden, wenn die Kapazitätsgrenze von Batterien überschritten wird. Bis auf die Biomasse und die Wasserkraft ist die Energieerzeugung auf regenerativer Basis oftmals zu unzuverlässig, um sinnvoll in bestehende Infrastrukturen integriert zu werden. In Kombination mit reversiblen Zellen könnten Inselsysteme oder netzgekoppelte Solar- oder Windanlagen dem tatsächlichen Bedarf angepasst werden und viel kontinuierlicher und zuverlässiger Strom liefern. Neuere Überlegungen gehen inzwischen über die teure und ineffiziente Kombination von Brennstoffzelle und Elektrolyse hinaus und favorisieren flüssige Elektrolyte [13]. Ausblick: Neue Membranen, bessere Katalysatoren Es ist inzwischen abzusehen, dass Brennstoffzellen in den kommenden Jahren ein kommerzieller Erfolg werden. Was hier zu tun bleibt, ist zunächst die Vermarktung weniger kostensensitiver Kleinsysteme (z. B. portabler Systeme), umweltfreundlicher Wasserstoffbusse und kleiner Blockheizkraftwerke. Kleinsysteme sind heute bereits wirtschaftlich produzierbar, bei Bussen und Mini-BHKWs sind noch einige technische Hindernisse zu überwinden. Personenkraftwagen sind zurzeit noch zu kostspielig, werden aber von den Erfolgen der anderen Anwendungen profitieren können. Wichtig ist hier vor allem die konsequente Effizienzsteigerung der Gesamtsysteme durch weitere Optimierung der Brennstoffzelle, aber auch des Reformers, des elektrischen Wandlers und des Antriebs, da starke Konkurrenz von sparsameren Diesel- und Benzinmotoren (GDI Direkteinspritzer) zu erwarten ist. Bei den lokalen Schadstoffemissionen werden Brennstoffzellenfahrzeuge auch weiterhin einen großen Vorsprung behalten, da eine effiziente Schadstoffreinigung bei Motoren mit magerer Verbrennung sehr aufwändig ist. Das größte Potenzial zur Kostensenkung von Brennstoffzellensystemen liegt bei der Brennstoffzelle selbst. Weitere Leistungssteigerung der MEA ist hier vorrangig, da mehr Leistung pro Zelle den Bedarf an anderen Komponenten wie Gasverteilerplatten usw. drastisch verringert. Ein wichtiges Ziel ist hier die Entwicklung neuer Membranen, die bei etwas höheren Temperaturen und ohne Befeuchtung arbeiten können. Hierdurch würde die Verwendung von Reformerwasserstoff einfacher (höherer CO-Gehalt), und im Falle von Methanolbrennstoffzellen könnte die Aktivität der Anode gesteigert werden. Auch die Katalysatoren bieten ein weites Betätigungsfeld, z. B. um die COund CO 2 -Toleranz der Anode zu verbessern. Schließlich müssen die Materialkosten (z. B. der Substrate) und die Produktionskosten noch erheblich gesenkt werden. Wirkliche, unüberwindliche Hürden sind hier jedoch nicht in Sicht. * Ich danke meinen Mitarbeitern am Umwelt-Campus, meinen ehemaligen Kollegen im Johnson Matthey Technology Centre sowie allen, die Informationen zu dieser Übersicht beigetragen haben. Literatur [1] W. Vielstich, Brennstoffelemente, Verlag Chemie, 1965; H. A. Liebhafsky und E. J. Cairns, Fuel Cells and Fuel Batteries, John Wiley & Sons 1967 [2] M. Warshay und P. R. Prokopius, J. Power Sources 29, 193 (1990) [3] T. R. Ralph et al., J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 3845 [4] M. Baldauf et al., in: Proceedings of the 195th Meeting of the Electrochemical Society, Seattle 1999 (The Electrochemical Society, 1999); M. P. Hogarth und G. A. Hards, Platinum Metals Rev. 40, 150 (1996) [5] K. Ledjeff (Hrsg.), Brennstoffzellen, C.F. Müller, 1995 [6] F. Aldinger, Phys. Bl., November 1999, S. 31 [7] M. Schmidt, Fuel Cells Bulletin 1, 9 (1998) [8] D. Hart und G. Hörmandinger, Initial assessment of the environmental characteristics of fuel cells and competing technologies, Vol. 1, F/02/00111/REP/1 (ETSU, U.K., 1997) [9] R. Menzer und B. Höhlein, J. Power Sources 71, 294 (1998) [10] Umwelt-Bundesamt (Hrsg.), Technische Optionen zur Verminderung der Verkehrsbelastungen, TEXTE des UBA Nr. 33/99 [11] T. Ewe, Bild der Wissenschaft, August 1999, S. 30 [12] GEW Köln vgl. Renewable Energy World 3, 13 (2000) [13] B. Davidson et al., Renewable Energy World 3, 84 (2000) [14] G. Hoogers und D. Thompsett, CaTTech 3, 106 (1999) 58