Energiewende

Weltraumtechnologie auch für die Erde?

Von Silvia Benetti
19.04.2022
, 20:18
Andrang an der Wasserstofftankstelle in Hessen bei Kassel
Alkalische Brennstoffzellen kommen gänzlich ohne Edelmetalle aus und arbeiten bei moderaten Temperaturen. Aber können sie auch hinsichtlich ihrer Leistung und Lebensdauer konkurrieren?
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Wegen ihrer hohen Wirkungsgrade und geringen Emissionen zählen Brennstoffzellen neben wiederaufladbaren Batterien zu den wichtigsten Stromquellen der Energiewende. Betreibt man sie mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff, entsteht als Abgas ausschließlich Wasserdampf. Der Preis von Brennstoffzellen stellt je­doch einen der Hauptgründe für die zö­gerliche Verbreitung der Technologie dar. Deshalb setzen Fahrzeughersteller lieber auf batteriebetriebene Fahrzeuge. Auch Brennstoffzellenheizungen spielen we­gen der hohen Kosten noch eine geringe Rolle. Das würde sich ändern, wenn es gelänge, leistungsstarke Brennstoffzellen herzustellen, die ohne teure Edelmetalle als Katalysatoren auskämen.

Große Hoffnungen werden in sogenannte alkalische Brennstoffzellen gesetzt. Sie benötigen keine Edelmetalle, hinken aber bis heute in puncto Leistung und Le­bensdauer den weit verbreiteten PEM-Brennstoffzellen hinterher. Jetzt hat eine Forschungsgruppe von der Cornell University in Ithaca aber eine stabile alkalische Brennstoffzelle mit einem nickelbasierten Katalysator gebaut. Gelingt die Weiterentwicklung, könnte diese Stromquelle zum Durchbruch der Technologie beitragen.

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Sämtliche Brennstoffzellentypen arbeiten nach dem gleichen Prinzip

Sie erzeugen elektrischen Strom und Wärme da­durch, dass Wasserstoff und Sauerstoff in einer gezähmten Knallgasreaktion zu Wasser reagieren. Die häufigste Bauart stellen Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen dar, die einen Wirkungsgrad von 40 bis 50 Prozent erreichen. PEM steht für Polymerelektrolytmembran und bezeichnet die Nafion-Membran, die als Elektrolyt dient.

An der Anode der Brennstoffzelle oxidieren Wasserstoffmoleküle zu positiv ge­ladenen Wasserstoffionen (Protonen), sie geben also ein Elektron ab. Die be­feuchtete Nafion-Membran lässt die Protonen, aber nicht die Elektronen durch. Letztere gelangen über einen externen Stromkreis zur Kathode und liefern die elektrische Leistung. An der Kathode re­agieren Sauerstoffmoleküle, Elektronen und positive Wasserstoffionen zu Wasser. Sowohl hier als auch in der Anode dient Platin als Katalysator und beschleunigt so die Reaktionen. 30 bis 50 Gramm Platin stecken in einer PEM-Brennstoffzelle und machen rund 40 Prozent der Herstellungskosten aus. Auch Phosphorsäure-Brennstoffzellen, die hochkonzentrierte Phosphorsäure als Elektrolyt nutzen, be­nötigen das teure Edelmetall.

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen lösen scheinbar dieses Problem, da sie bei Temperaturen von mehr als 600 Grad arbeiten, was teure Katalysatoren überflüssig macht. Allerdings erweist sich gerade die hohe Betriebstemperatur als problematisch, weil sie die Lebensdauer begrenzt und für lange Anlaufzeiten sorgt. Alkalische Brennstoffzellen verwenden dagegen eine basische Kalilauge als Elektrolyten und günstige Metalle wie Nickel als Katalysatoren, was die Herstellungskosten senkt. Gleichzeitig liegt ihre Betriebstemperatur meist unter 100 Grad.

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Bereits in den Dreißigerjahren des vergangenen Jahrhunderts baute Francis Thomas Bacon in der University of Cambridge die ersten alkalischen Brennstoffzellen. In den Sechzigerjahren fand die Technologie zum ersten Mal eine praktische Anwendung in der astronautischen Raumfahrt, unter anderem kamen alkalische Brennstoffzellen im Apollo- und Space-Shuttle-Programm der NASA zum Einsatz. Allerdings benötigen sie als Kathodengas reinen Sauerstoff, was den technischen Aufwand erhöht. Trotz ihrer Vorteile bleibt ihr Einsatzbereich daher nach wie vor hauptsächlich auf die Raumfahrt und auf U-Boot-Antriebe begrenzt. Das könnte sich bald än­dern. Auch in einer alkalischen Brennstoffzelle oxidiert an der Anode Wasserstoff, gleichzeitig werden an der Kathode Sauerstoffmoleküle und das Wasser im Elektrolyten zu Hydroxidionen (OH–) reduziert. Diese wandern zur Anode und vereinen sich mit den Wasserstoffionen zu Wasser.

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Ein wichtiger Schritt auf dem Weg hin zur Wasserstoffwirtschaft

Im Vergleich zu PEM-Brennstoffzellen erreichen alkalische Zellen zwar einen hö­heren Wirkungsgrad von bis zu 60 Prozent, dafür bleibt aber die Leistungsdichte niedriger. Darüber hinaus bilden Nickelkatalysatoren bei höheren Spannungen Ni­ckeloxide, die ihre Lebensdauer mindern. Aus diesem Grund konzentrierte sich die Forschung in den vergangenen Jahren darauf, sowohl die Stabilität als auch das Verhalten von alkalischen Brennstoffzellen zu verbessern. Frühere Studien hatten gezeigt, dass eine Beschichtung die Leistung von Elektroden mit Nickelkatalysatoren erhöhte, indem sie unerwünschte Nebenreaktionen verhinderte. Die amerikanischen Forscher um Héctor Abruña aus Ithaca experimentierten mit einer stickstoffdotierten Kohlenstoffbeschichtung, de­ren Dicke zwischen einem und fünf Nanometern variierte.

Die von ihnen gebaute Brennstoffzelle mit einer Anode aus Nickel, Kohlenstoff und Stickstoff und einer Kathode aus Mangan und Kobaltoxid erreichte eine ho­he Leistungsdichte von 210 Milliwatt pro Quadratzentimeter. Zwar kommen PEM-Brennstoffzellen auf den fünffachen Wert, dennoch stellt das Ergebnis für edelmetallfreie Niedertemperatur-Brennstoffzellen einen Rekord dar, schreiben Abruña und seine Kollegen in den „Proceedings“ der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Auch zeigte sich der Prototyp als wenig empfindlich gegenüber Wasserstoff mit Kohlenmonoxid-Unreinheiten und büßte le­diglich 14 Prozent an Leistung ein, während ein vergleichbarer Prototyp mit einer Platinanode 70 Prozent seiner Performance verlor. Da industriell hergestellter Wasserstoff oft solche Unreinheiten aufweist, ist der Nickelkatalysator in dieser Hinsicht klar im Vorteil. Nun wollen die Forscher um Abruña ihren Prototypen technisch verbessern.

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Gelingt es, leistungsstarke edelmetallfreie Brennstoffzellen herzustellen, wäre ein Hindernis auf dem Weg hin zur Wasserstoffwirtschaft beseitigt. Zudem könnten die Stromquellen einen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten – allerdings nur, wenn der Wasserstoff mittels Elektrolyse und mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird. Der sogenannte grüne Wasserstoff ist derzeit jedoch noch Zukunftsmusik.

Im Jahr 2020 wurden in Deutschland 57 Terawattstunden an Wasserstoff her­gestellt. Rund ein Drittel stammte aus der Reformierung von Erdgas. Dabei vermischt man Methan oder andere Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf bei Tem­peraturen von mehr als 400 Grad und erhält als Endprodukte Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2). Letzteres gelangt in die At­mosphäre, weswegen der sogenannte graue Wasserstoff alles andere als umweltfreundlich ist. Der größte Anteil entstand als Nebenprodukt industrieller Prozesse in der Chemieindustrie, beispielsweise während der Ethylenherstellung. CO2-neutral sind jedoch auch solche Verfahren nicht.

Grauer Wasserstoff setzt pro Tonne zwölf Tonnen CO2 frei. Somit würde ein wasserstoffbetriebener PKW mit einem durchschnittlichen Verbrauch von ei­nem Kilogramm Wasserstoff pro hundert Ki­lometer um die 75 Prozent mehr CO2 als ein batteriebetriebenes E-Auto mit vergleichbarer Leistung freisetzen. Diese Beispielrechnung berücksichtigt nicht die CO2-Emissionen, die bei der Bat­terie­herstellung entstehen. Diese Beispielrechnung zeigt aber, dass die Herkunft des Wasserstoffs eine zentrale Rolle spielt, wenn er zu einer tragenden Säule der Energiewende werden soll. Das heißt jedoch auch: Wenn alkalische Brennstoffzellen eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur Dekarbonisierung werden sollen, muss der Anteil grünen Wasserstoffs deutlich erhöht werden.

Quelle: F.A.Z
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