Energieträger
Im Verlauf der Geschichte nutzte der Mensch Energieträger mit einem stetig steigenden Wasserstoffgehalt. Das Verhältnis von Wasserstoff- zu Kohlenstoffatomen lag bei dem über Jahrtausende dominierenden Energieträger Holz noch bei 0,1. Bei der seit etwa 150 Jahren genutzten Kohle steigt der Quotient bereits auf 1, bei Öl auf 2 und bei Erdgas auf 4. Für eine Energiewirtschaft mit minimaler Kohlendioxidemission strebt dieser Quotient mit der Nutzung von Wasserstoff konsequenterweise gegen unendlich. Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger liegt vor allem in seinen physikalischen Eigenschaften begründet. Mit rund 120.000 kJ/kg hat Wasserstoff einen viel höheren gewichtsbezogenen Heizwert (Energiedichte) als fossile Energieträger wie Steinkohle (29.400 kJ/kg), Benzin (43.200 kJ/kg) oder Erdgas (49.700 kJ/kg). Bezogen auf das Volumen liegt flüssiger Wasserstoff jedoch mit 8.600 MJ/m3 nur bei 20% der Energiedichte von Steinkohle, 22% von Benzin und 41% von Erdgas. Die Energiedichte gasförmigen Wasserstoffs liegt, selbst unter Hochdruck von 100 bar, noch weit darunter. Dennoch macht die hohe Energiedichte die Verwendung von Wasserstoff als Energiespeicher und -transportmedium höchst effizient. Weiterhin entstehen bei seiner Verbrennung in luftgespeisten Motoren neben vergleichsweise sehr geringen Mengen Stickoxiden ausschließlich Wasserdampf. Bei der Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserstoff und Luft in Brennstoffzellen (katalytische Verbrennung) entsteht sogar nur Wasser als Endprodukt (siehe unten). Einzigartig ist außerdem, daß das Wasser zugleich wieder das Edukt für die zukunftsweisende Elektrolyse zur Produktion von Wasserstoff darstellt - es entsteht so ein geschlossener Kreislauf. Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger sind die weiten Zündgrenzen eines Wasserstoff-Luft-Gemisches (5-70 %-vol) sowie die sehr geringe Zündenergie. Dieser Nachteil ist aber zugleich ein Vorteil, da es hierdurch bspw. in Verbrennungsmotoren einen weiten Nutzungsspielraum gibt. Dennoch ist eine angemessene Erarbeitung von Sicherheitssystemen unerläßlich. Eine lange Tradition hat die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger in der Raumfahrt. Aus diesem Bereich kommen entscheidende Entwicklungimpulse wie die Konstruktion effizienter Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie.
Stromerzeugung durch Brennstoffzellen
Brennstoffzellen sind gasbetriebene Batterien, die durch kalte, elektrochemische Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs, meist Wasserstoff, eine Gleichspannung erzeugen. Da Brennstoffzellen bei Versuchen zur Umkehr der Elektrolyse entstanden, bestehen sie auch aus den selben Komponenten. In zwei durch einen Elektrolyten getrennten Kammern befinden sich je eine Anode, die dem Wasserstoff Elektronen entzieht und eine Kathode, die den Sauerstoff negativ auflädt. Die Kathoden- und Anodenreaktionen beinhalten jeweils die Spaltung der Sauerstoff- bzw. Wasserstoffmoleküle, wobei die Elektrodenoberfläche (z.B. platinierte Aktivkohle) die elektrochemische Umsetzung katalysiert: Anode: H2 -> 2 H+ + 2 e- Kathode: ½ O2 + 2 e- -> O2- Die abgreifbare Zellspannung liegt bei 500-700 mV. Der Elektrolyt, der nur Protonen durchläss, ist das Kernstück aller Brennstoffzellen (Abb.3).
Abb. 3: Funktionsprinzip einer Membran-Brennstoffzelle.
Nach seiner Art und der daraus resultierenden Betriebstemperatur werden die Brennstoffzellen-Typen benannt (Tab. 5). Von den 5 Typen hat sich die Membran-Brennstoffzelle, die bei niedrigen Temperaturen arbeitet, zum Renner entwickelt. Der Elektrolyt besteht hier aus einer dünnen Polymerfolie, die im feuchten Zustand eine hohe Durchlässigkeit für Protonen aufweist. Sie findet in mobilen Einheiten wie Fahrzeugen Anwendung. Brennstoffzellen mit flüssiger Phosphorsäure als Elektrolyten sind kommerziell am weitesten entwickelt. Sie werden hauptsächlich in Blockheizkraftwerken eingesetzt, da sich ihre große Abwärme gut zur Kraft-Wärme-Kopplung nutzen läßt.
Tab. 5: Brennstoffzellen-Typen und ihre Charakteristika.
