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E-Werk an Bord: Brennstoffzelle
E-Antrieb geht auch prima ohne Reichweitenproblem: Stichwort Brennstoffzelle. Wie funktioniert diese Technologie eigentlich? Und warum ist sie jetzt überall im Gespräch? „tomorrow“ beantwortet die wichtigsten Fragen.
Von Carsten Paulun (Dezember 2019)
Was ist eine Brennstoffzelle?
Eine Vorrichtung, die chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Wobei der Begriff „Brennstoffzelle“ irreführend ist, da sie im klassischen Sinn den „Brennstoff“ nicht verbrennt. Idealer Brennstoff ist Wasserstoff. Seine Energiedichte ist mit 33,3 kWh pro Kilogramm fast dreimal höher als die von Diesel (11,9 kWh/kg). Und Wasserstoff ist in gebundener Form mit Sauerstoff – als Wasser – nahezu unbegrenzt vorhanden. Zur Erinnerung: 70 Prozent der Erdoberfläche sind von Wasser bedeckt. Außerdem ist in reinem Wasserstoff kein Kohlenstoff gebunden. Im Abgas einer Brennstoffzelle gibt es also kein CO2. Eine Brennstoffzelle funktioniert mit allen wasserstoffhaltigen Gasen – zum Beispiel Methanol, Kohlegas oder Erdgas. Diese Gase emittieren im Gegensatz zu Wasserstoff bei der Umwandlung zu Strom und Wasser aber immer CO2. Als Oxidationsmittel dient Sauerstoff aus der Umgebungsluft.
Was sind die Vorteile einer Brennstoffzelle?
Sie resultieren vorrangig aus dem verwendeten Brennstoff: Wasserstoff. Mit ihm können wir regenerativ erzeugten Strom durch das Elektrolyseverfahren speichern, ohne schädliche Abgase zu produzieren. Und nach Belieben nutzen. Das ist besonders wichtig bei der Betrachtung der Emissionen entlang der Energiekette, also von der Erzeugung in den Tank und bis ans Rad. Der Fachmann spricht hier von Well-to-Tank und Tank-to-Wheel oder insgesamt von Well-to-Wheel. Während bei Verbrennungsmotoren die größten Verluste und Emissionen im Fahrzeug selbst entstehen, ist ein E-Antrieb hier emissionsfrei unterwegs. Dabei ist es egal, ob der Fahrstrom aus einer Batterie oder einer Brennstoffzelle stammt. Bei einem E-Fahrzeug entstehen die größten Verluste und Emissionen bei der Strom-Erzeugung und Strom-Speicherung. Sie sind vernachlässigbar, wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt.
Wie funktioniert die Brennstoffzelle?
Die Brennstoffzelle wandelt chemisch gebundene Energie in einem Brennstoff direkt in Elektroenergie um. Der Aufbau einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane) – der heute favorisierten Technologie – ähnelt dem einer Batterie: Eine Membran trennt zwei plattenförmige Elektroden (Anode und Kathode) voneinander, die in der Brennstoffzellentechnik Bipolarplatten heißen. Diese Membran kann Protonen leiten, ist ansonsten aber undurchlässig. Sie ist mit Katalysatormaterialien beschichtet, die die Spaltung von Wasserstoff in Elektronen und Protonen fördern. Die Elektronen fließen als nutzbarer Strom über einen Leiter zur Kathode. Die Protonen strömen durch die Membran ebenfalls zur Kathode. Dort treffen sie auf Sauerstoff-Ionen, die sich durch die Aufnahme von zur Kathode gewanderten Elektronen gebildet haben. Beide reagieren zu Wasserdampf und Wasser.
Wie sieht die Brennstoffzelle aus?
Eine einzelne Zelle kann kleiner als eine Streichholzschachtel sein. Moderne einzelne Zellen bestehen aus drei flachen Scheiben, zwei aus dünnem Metall und eine aus einer beschichteten Kunststoff-Folie. Da die Spannung einer einzelnen Zelle nur zwischen 0,5 und 1 Volt beträgt, werden mehrere identische zu einem sogenannten Stack zusammengeschaltet. Ein komplettes 100-kW-Brennstoffzellensystem mit Pumpen, Leitungen, Heizsystem sowie Steuerungs- und Regelelektronik für einen Fahrzeugantrieb füllt den Motorraum eines Mittelklassewagens.
Warum ist sie bisher nur Nischenprodukt?
Für den Einsatz als kombinierter Wärme/Strom-Erzeuger in Gebäuden ist sie (noch) zu teuer. Bei Fahrzeugen kommt hinzu, dass es in keinem Land ein flächendeckendes Tankstellennetz gibt. Das Henne-Ei-Problem: Für die Energiekonzerne lohnt sich der Ausbau des Netzes nicht, weil es zu wenig Fahrzeuge gibt. Die Automobilindustrie argumentiert mit der zu dünnen Versorgung.
Warum wird die Brennstoffzelle jetzt interessant?
Bisher hatten wir es nicht nötig, sie zu nutzen. „Man hatte ja Holz, Kohle und Erdöl. Diese Brennstoffe ‚lagen herum‘ und man brauchte sie nur anzuzünden“, erklärt Michael Fröba, Chemie-Professor der Uni Hamburg. Da man jedoch – Stichwort Klimawandel – eine CO2-neutrale, saubere Mobilität anstrebt, ist die mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle eine smarte Schlüsseltechnologie.
Wer hat sie erfunden?
Der deutsch-schweizerische Chemiker und Physiker Christian Friedrich Schönbein umspülte 1838 zwei Platindrähte in Salzsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff und bemerkte zwischen den beiden Drähten eine elektrische Spannung – die erste Brennstoffzelle der Welt. Der britische Physikochemiker Sir William Robert Grove nahm die Idee 1839 auf und verband mehrere dieser Zellen zu einer „Gasbatterie“ – dem weltweit ersten nutzbaren Brennstoffzellenstack.
Christian Friedrich Schönbein
Sir William Robert Grove
Warum ist auch noch eine Batterie nötig?
Weil die Brennstoffzelle keine Energie, zum Beispiel aus Bremskraft, zurückgewinnen kann, für starke Beschleunigung eine Unterstützung sinnvoll ist und auch für den Start der Brennstoffzelle Energie vorhanden sein muss. Jedoch können solche Batterien bis zu 90 Prozent kleiner als Traktionsbatterien in reinen Batterie-Elektrofahrzeugen ausgelegt werden.
Wie effizient ist eine Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle erzeugt Strom und Wärme. Je nach Auslegung können sowohl der elektrische Wirkungsgrad als auch der thermische Wirkungsgrad bis zu 65 Prozent betragen. Während der Strom für den Antrieb genutzt wird, kann mit der Wärme die Fahrzeugheizung betrieben werden. Nicht berücksichtigt sind Verluste bei Herstellung, Transport und Lagerung des Brennstoffes.
Wovon hängt ihre Leistungsfähigkeit ab?
Entscheidend für Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle sind die katalytisch beschichtete Membran und Material sowie Beschichtungen der Bipolarplatten. Die Membranbeschichtungen bestehen in der Regel aus Kohlenstoff und Platin oder einem platinhaltigen Gemisch als Katalysator. Um Leistung, Haltbarkeit, Ansprechverhalten, aber auch den elektrischen Wirkungsgrad zu steigern, arbeiten Hersteller wie der Automobil- und Industriezulieferer Schaeffler an verschiedenen Beschichtungen und Elektrolyten.
Wie wird der Wasserstoff gewonnen?
Durch ein chemisches Verfahren, die Elektrolyse: Man hält einen Pluspol und einen Minuspol ins Wasser, das sich dadurch in die Moleküle H2 und O2 spaltet – Wasserstoff und Sauerstoff. Spezielle Beschichtungen von Pluspol (Kathode) und Minuspol (Anode) sowie die Zugabe von Säure in das Wasser beschleunigen die Reaktion und erhöhen den Ertrag. Die bei der Elektrolyse aufgewendete Energie „ist nicht vergeudet, sondern wird zu einem Teil auf die einzelnen Moleküle übertragen. Da bleibt sie, bis die Rückreaktion erfolgt“, erklärt Professor Dr. Michael Fröba.
Gibt es Wartungsprozeduren?
Tatsächlich gilt sie als wartungsfrei. Die Hersteller schreiben in der Regel eine jährliche Kontrolle vor, allein schon für die anderen Systeme wie die Fahrzeugbremsen oder das Abgassystem bei einer Brennstoffzellenheizung. Die Lebensdauer beträgt zwischen 5.000 und 40.000 Stunden – je nach Technologie. Das reicht bei einer Pkw-Brennstoffzelle für gut 300.000 Kilometer.
Welche Schwierigkeiten und Gefahren gibt es?
Wasserstoff kann gasförmig in Tanks gelagert werden. Doch um ähnlich viel Energie wie ein Benzintank zu speichern, müsste der so groß wie eine Lagerhalle sein. Alternativ kann man Wasserstoff sehr energieaufwendig bei minus 253 Grad verflüssigen. Die Lösung heißt: das Gas verdichten. Heutige Wasserstofftanks werden mit 700 bar befüllt – ein normaler Autoreifen hat etwa 2 bar Luftdruck. Diese Wasserstofftanks haben mehrlagige Wände aus verschiedenen Materialien und gelten als crashsicher. Wasserstoff hat gegenüber Benzin und Diesel sogar einen Sicherheitsvorteil: Er verflüchtigt sich so schnell, dass eine Explosion nahezu unmöglich ist. Bei Tests der Universität Miami ist ein Wagen mit Benzinmotor komplett ausgebrannt, während der Wasserstoff in Sekundenbruchteilen in einer großen Stichflamme verbrannt und das Feuer dann erloschen ist.
Was gehört zur Integration einer Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb?
Die Brennstoffzelle selbst ist ein recht kompaktes Bauteil, dazu kommen noch Luftverdichter und -befeuchter, Pumpen, Spannungsregler, Kühl- und Heizsystem, Steuerungselektronik, Spannungsregler, Puffer-Batterie und als größte Komponente der Wasserstofftank. Und natürlich der Elektromotor für den Antrieb.
Wie kommt der Wasserstoff zur Tankstelle und in den Tank?
Wasserstoff wird mit speziellen Drucktanklastwagen zur Tankstelle transportiert und dort in andere Drucktanks umgefüllt, an die die jeweiligen Zapfanlagen angeschlossen sind. Das Tanken selbst ist nicht viel anders als bei Diesel oder Benzin. Die Zapfpistole muss nur druckfest mit dem Fahrzeug verbunden sein. Hier gibt es ein standardisiertes System, das an allen Tankstellen gleich ist. Alternativen zum Drucktanklaster sind eine Pipeline oder die Auflösung des Wasserstoffs in organischen Spezialflüssigkeiten. Dann kann der Wasserstoff wie andere Treibstoffe transportiert werden. An der Tankstelle wird dann der Wasserstoff wieder aus der Trägerflüssigkeit extrahiert.
Wo überall kommt eine Brennstoffzelle als Energiequelle für einen Antrieb infrage?
Überall dort, wo Elektroantriebe mit Batterien nicht wirtschaftlich oder aufgrund von Baugröße oder Gewicht nicht möglich sind und es auf große Reichweiten mit kurzer Tankzeit ankommt: Pkw, Lkw, Flugzeuge, Schiffe, Schienenfahrzeuge. „Mit der Brennstoffzelle können auch sie CO2- und emissionsfrei betrieben werden“, so Professor Dr.-Ing. Tim Hosenfeldt, Leiter Innovation und Zentrale Technologie bei Schaeffler. Für den Einsatz in den Verkehrsmitteln spricht vor allem der hohe „System-Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, der deutlich über dem von Verbrennungsmotoren liegt. Auch die lokale Emissionsfreiheit bei Stickstoffoxiden, CO2 und Feinstaub spricht für diese Antriebsform“, so das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur.
Wann und wo werden sie in Zukunft verwendet?
Hersteller wie Nikola (USA) oder Hyundai (Südkorea) wollen 2020 erste Lkw mit Brennstoffzellen ausliefern. Die Deutsche Bahn erprobt zurzeit Züge mit dieser Technologie im Personenverkehr. Sie sollen auf Strecken ohne Oberleitung herkömmliche Dieseltriebwagen ersetzen. Im Luftverkehr arbeiten Hersteller wie Airbus und Boeing, aber auch Forschungseinrichtungen wie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt intensiv an Brennstoffzellenflugzeugen. Zumindest kleinere Geschäftsflieger mit bis zu 20 Passagieren und Reichweiten von bis zu 800 Kilometern will der US-amerikanische Hersteller Zerovia ab 2022 mit Brennstoffzellenantrieb ausrüsten. Bereits serienreif ist das Schubboot Elektra, das ein Konsortium um den Brennstoffzellenhersteller Ballard Power Systems ab 2020 für den Warentransport zwischen Hamburg und Berlin auf Elbe und Havel einsetzen will.
Drei Fragen an …
… Dr. Stefan Gossens, Innovationsprogramm-Leiter Energiespeicher & Wandler bei Schaeffler.
Warum ist die Brennstoffzelle ein Thema für Schaeffler?
Wir sehen die Brennstoffzelle als wertvolle Ergänzung im Bereich der neuen Antriebe. Unsere Kompetenzen sehen wir in Material, Metallumformung, Beschichtung und später natürlich auch der Massenfertigung. Hierbei sind zunächst Komponenten für Brennstoffzellen-Stapel im Fokus, in einem weiteren Schritt aber möglicherweise auch Teile der Brennstoffzellen-Peripherie.
Wo sieht Schaeffler potenzielle Kunden?
Es gibt ein breites Spektrum von Anwendungen in der Mobilität, aber auch jenseits von Nutzfahrzeugen und Pkw, in denen emissionsfrei Strom erzeugt werden soll, etwa im Bereich Bahn, Flurförderzeuge und stationäre Anwendungen wie Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen.
>> In der zukünftigen Mobilität können sich batterieelektrische und Brennstoffzellen-Fahrzeuge ideal ergänzen. Aber die Brennstoffzelle wird ihr Potenzial auch in Anwendungsgebieten jenseits von Lkw und Pkw beweisen
Dr. Stefan Gossens
Wie relevant ist Ihrer Auffassung nach der Preis eines leistungsfähigen Brennstoffzellensystems, um sich flächendeckend durchzusetzen? Und wann wird das sein?
Der hohe Preis der Technik ist heute sicherlich noch ein Hindernis für die weite Verbreitung. Die oben schon angesprochene Industrialisierung und auch technologische Weiterentwicklungen werden mittel- bis langfristig wesentlich zu den nötigen Preissenkungen beitragen. Wir werden das im Laufe der 2020er-Jahre erleben, in ähnlicher Art wie früher bei Fotovoltaik und Lithium-Ionen-Batterien.