Funktionsweise von Brennstoffzellen: Elektrochemische Umwandlung und emissionsfreier Betrieb

Kernprozess der Elektrochemie: Wasserstoffoxidation und Sauerstoffreduktion

Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff und tun dies dabei wichtig zu bemerken, ohne etwas zu verbrennen. Wenn Wasserstoff die Anodenseite erreicht, wird er dank eines meist aus Platin bestehenden Katalysators in Protonen und Elektronen zerlegt. Die Elektronen bewegen sich entlang von äußeren Leitungen außerhalb der Zelle und erzeugen den elektrischen Strom, den wir tatsächlich zur Energieversorgung nutzen können. In der Zwischenzeit gelangen die Protonen durch eine sogenannte Protonenaustauschmembran (kurz PEM) auf die andere Seite der Zelle. Dort an der Kathode treffen diese Protonen auf Sauerstoffmoleküle und auf die Elektronen, die über den Stromkreis zurückgekehrt sind. Zusammen bilden sie als Nebenprodukt lediglich sauberes Wasser. Dieser gesamte Prozess funktioniert so effizient, weil er nicht auf Wärmeübertragung angewiesen ist, wie es bei herkömmlichen Motoren der Fall ist. Daher wandeln PEM-Brennstoffzellen typischerweise etwa die Hälfte bis zwei Drittel ihrer zugeführten Energie direkt in elektrische Energie um. Das ist ungefähr das Doppelte dessen, was die meisten benzinbetriebenen Fahrzeuge erreichen, da ihre Leistung durch die grundlegenden thermodynamischen Prinzipien des Carnot-Prozesses begrenzt ist.

Zu den Hauptvorteilen zählen:

• Nahezu geräuschloser Betrieb ohne bewegliche Teile außer Hilfssysteme
• Kontinuierliche Leistungsabgabe, solange Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden
• Modulare Skalierbarkeit – von Kilowatt-Portabelgeräten bis hin zu mehrere Megawatt umfassenden stationären Anlagen

Im Gegensatz zu Batterien sind Brennstoffzellen Energieumwandler, keine Speichergeräte – was einen dauerhaften Betrieb ohne Aufladeunterbrechungen ermöglicht.

Warum Brennstoffzellen nur Wasser emittieren — keine CO₂, NO₂ oder Partikel

Brennstoffzellen stoßen keine regulierten Emissionen aus, da sie durch elektrochemische Reaktionen und nicht durch Verbrennung arbeiten. Wasserstoff enthält einfach kein Kohlenstoff, wodurch sich während des Betriebs keine CO2-Bildung ergeben kann. Zudem finden die Reaktionen bei maximal etwa 100 Grad Celsius statt, weit unterhalb der 1.300-Grad-Grenze, ab der Stickoxide entstehen. Da keine Flammen beteiligt sind, entfällt außerdem Ruß, Asche und jene lästigen unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die die Luft verschmutzen. Was stattdessen austritt? Im Wesentlichen reiner Wasserdampf, der manchmal in industriellen Prozessen gesammelt und wiederverwendet wird. Deshalb funktionieren diese Systeme so gut in Innenräumen, in dicht besiedelten Stadtgebieten oder überall dort, wo hohe Anforderungen an die Luftqualität gestellt werden. Sie entsprechen den Empfehlungen der EPA, erfüllen die europäischen Vorschriften für saubere Luft und erfüllen auch die Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation.

Anwendungen von Brennstoffzellen in schwer zu reduzierenden Sektoren

Schwerer Transport: Lastwagen, Busse, Züge und maritime Fahrzeuge

Bei der Schwerlastbeförderung lösen Brennstoffzellen einige gravierende Probleme, die Batterien einfach nicht ausreichend bewältigen können. Man denke an die Energiespeicherkapazität, die Dauer der Nachfüllung und die Auswirkungen auf das Fahrzeuggewicht. Derzeit sorgen wasserstoffbetriebene Lkw für Furore. Diese schweren Lastzüge kommen mit einem einzigen Tank zwischen 500 und 800 Kilometern weit, und die Betankung dauert weniger als zwanzig Minuten – ähnlich wie bei herkömmlichen Dieselmotoren. Das ist deutlich effizienter, als riesige Batteriesätze mitzuführen, die ein zusätzliches Gewicht von rund drei bis vier Tonnen verursachen würden. Diese Technologie ist bereits weltweit im Aufwind: So sind in Ländern wie China, in Teilen Europas und sogar in Kalifornien bereits über fünftausend Wasserstoffbusse im Einsatz. Die Anwendungsbereiche erweitern sich zunehmend über Busse hinaus. Ein Beispiel ist der Coradia iLint-Zug in Deutschland, ein weiteres ist Norwegens HYDROGEN-Fährenprojekt. Häfen profitieren besonders, da der Großteil der Containeroperationen stark auf Dieselgeräte angewiesen ist, die zu viele Stickoxide und Feinstaub in die Luft emittieren. Der Umstieg auf Brennstoffzellen bedeutet dort lokal emissionsfreier Betrieb – genau dort, wo es zählt – und hilft Hafenbehörden, die anspruchsvollen Ziele der Internationalen Meeresorganisation zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes bis 2030 und 2050 zu erreichen.

Industrielle Strom- und Notstromsysteme: Ersetzen von Dieselgeneratoren

Brennstoffzellen bieten saubere und zuverlässige Energie für kritische Infrastrukturen wie Rechenzentren, Krankenhäuser und Fabriken, wo Dieselgeneratoren traditionell als Notstromquellen dienen. Im Vergleich zu Diesel-Optionen setzen diese Systeme keine schädlichen Stickoxide, Schwefeldioxid oder feinen Partikel in Gebäuden oder in der Nähe empfindlicher Abläufe frei. Die Bauweise ermöglicht eine einfache Skalierung von kleinen Installationen mit 50 Kilowatt bis hin zu großen Anlagen mit bis zu 3 Megawatt. Die Betriebsdauer hängt vor allem von der verfügbaren Wasserstoffversorgung ab, anstatt sich Gedanken über die Alterung von Batterien machen zu müssen. Bei Verwendung von komprimierten Wasserstofftanks können die meisten Einheiten mehr als drei Tage lang ununterbrochen mit Volllast betrieben werden, wodurch Brandgefahren im Vergleich zur Lagerung großer Mengen Diesel vor Ort verringert werden. Das US-Energieministerium berichtete, dass die Zahl der Unternehmen, die Brennstoffzellen-Notstromversorgungen einsetzen, im vergangenen Jahr um etwa 40 Prozent gestiegen ist. Dieses Wachstum ist nachvollziehbar angesichts ihrer außergewöhnlichen Zuverlässigkeit mit einer Verfügbarkeit von über 99,999 Prozent sowie der Tatsache, dass viele Unternehmen heute ökologische, soziale und governance-bezogene Ziele in ihre Geschäftsentscheidungen einbeziehen.

Ermöglichung des Brennstoffzellen-Ökosystems: Infrastruktur, Sicherheit und Politik

Wasserstoffspeicherung, Betankungsinfrastruktur und Sicherheitsprotokolle im Betrieb

Die großflächige Bereitstellung von Brennstoffzellen hängt entscheidend von sicheren und kostengünstigen Methoden zur Wasserstofflieferung ab. Grundsätzlich gibt es drei Hauptmethoden zur Speicherung von Wasserstoff: Druckgastanks bei etwa 350 bis 700 bar, tiefgekühlte Flüssigkeit bei minus 253 Grad Celsius sowie neuere Ansätze mit Metallhydriden oder speziellen adsorbierenden Materialien. Jede Methode eignet sich je nach Anwendungsfall besser oder schlechter. Betrachtet man die Zahlen zu Beginn des Jahres 2023, so existieren weltweit über 160 öffentliche Wasserstofftankstellen, die sich hauptsächlich in Regionen wie Kalifornien, Japan, Südkorea und Teilen Deutschlands befinden. Bei der Erweiterung dieser Infrastruktur für größere Fahrzeuge wie Lkw und Busse wird die Sache jedoch schnell kompliziert. Der Bau einer mittelgroßen Tankstelle beläuft sich typischerweise auf zwei bis drei Millionen Dollar, ohne die anfallenden Genehmigungsverfahren und den Anschluss an bestehende Stromnetze, die eine zusätzliche Komplikationsebene darstellen, die niemand gerne bearbeitet.

Sicherheit wird durch international harmonisierte ingenieurtechnische Standards gewährleistet – insbesondere ISO/TS 15916, SAE J2601 und das European Hydrogen Safety Handbook. Diese schreiben vor:

• Verbundstoff-Wasserstofftanks, die für mehr als 10.000 Druckwechselzyklen und für Beschuss beständig zertifiziert sind
• Betankungsdüsen mit automatischer Leckerkennung, thermischem Abschaltmechanismus und Druckentlastungseinrichtungen
• Belüftungssysteme in geschlossenen Räumen, die darauf ausgelegt sind, die Wasserstoffkonzentration unterhalb der 1 % unteren Explosionsgrenze zu halten

Die praktische Validierung stammt aus Initiativen wie Europas H2 Mobility-Programm, das Protokolle an 29 Stationen standardisiert hat – was Interoperabilität, Sicherheit und Benutzervertrauen unter Beweis stellt, die für eine breite Akzeptanz notwendig sind.

Brennstoffzellen auf dem Weg zur Klimaneutralität

Brennstoffzellen zeichnen sich als Schlüsselspieler bei der Suche nach kohlenstoffneutralen Wirtschaftsformen aus, insbesondere dort, wo herkömmliche Elektrifizierung nicht ausreicht. Diese Systeme nutzen grünen Wasserstoff, der durch Elektrolyse aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird, und wandeln ihn in Strom um, wobei lediglich Wasserdampf entsteht. Das bedeutet keine CO₂-Emissionen, keine Stickoxide und definitiv keine schädlichen Partikel, die in die Luft freigesetzt werden. Besonders interessant ist ihre Zusammenarbeit mit erneuerbaren Energiequellen. Wenn zu viel Solar- oder Windstrom erzeugt wird, kann die überschüssige Energie anstelle einer Verschwendung als Wasserstoff gespeichert werden. Später, wenn die Nachfrage stark ansteigt, wird der gespeicherte Wasserstoff einfach zurück in Strom umgewandelt. Dieser Ansatz trägt dazu bei, unsere Stromnetze widerstandsfähiger zu machen, ohne auf veraltete fossile Backup-Kraftwerke angewiesen zu sein, die ohnehin von allen ausgemustert werden sollen.

Die Welt investiert ernsthaft in Wasserstoff als wichtigen Energieträger: Laut der Internationalen Energieagentur wurden bis 2030 rund 100 Milliarden US-Dollar für die Entwicklung der Wasserstoffinfrastruktur zugesagt. Auch die Preise für Brennstoffzellen sind drastisch gesunken und liegen seit 2015 etwa 60 % niedriger, was auf größere Produktionsmengen und verbesserte Katalysatormaterialien zurückzuführen ist. Auch die staatlichen Rahmenbedingungen beginnen nachzuziehen. Dazu gehören beispielsweise der jüngste US-amerikanische Inflation Reduction Act, der eine Steuergutschrift von 3 US-Dollar pro Kilogramm für sauberen Wasserstoff vorsieht, sowie die aktualisierte Richtlinie der Europäischen Union für Erneuerbare Energien. Diese Entwicklungen bedeuten, dass Brennstoffzellen nicht mehr nur experimentell sind, sondern zunehmend Teil der regulären Infrastruktur werden. Zukünftige Prognosen gehen davon aus, dass diese Systeme etwa 15 % des Energiebedarfs in Sektoren decken könnten, in denen es besonders schwierig ist, Emissionen zu senken. Damit sind sie ein wesentlicher Baustein für die Erreichung der Netto-Null-Ziele, auch wenn noch Arbeit erforderlich ist, bevor sie flächendeckend eingesetzt werden.

FAQ

Was ist eine Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät, das chemische Energie aus Wasserstoff durch eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff in elektrische Energie umwandelt.

Erzeugen Brennstoffzellen Emissionen?
Brennstoffzellen erzeugen hauptsächlich Wasserdampf als Nebenprodukt und geben keine regulierten Schadstoffe wie CO2, NOx oder Partikel ab.

Können Brennstoffzellen im Transportwesen eingesetzt werden?
Ja, Brennstoffzellen werden zunehmend in schweren Verkehrsbereichen eingesetzt, darunter Lastkraftwagen, Busse, Züge und maritime Fahrzeuge.

Welche Sicherheitsmaßnahmen gelten beim Umgang mit Wasserstoff?
Zu den Sicherheitsmaßnahmen gehören zertifizierte Wasserstofftanks, Leckageerkennungssysteme und eine ordnungsgemäße Belüftung, um die Wasserstoffkonzentration auf einem sicheren Niveau zu halten.