Brennstoffzelle ermöglicht Wasserstoffwirtschaft
In zwei Jahren sollen die ersten Energieversorgungssysteme für Einfamilienhäuser erhältlich sein
"Wasser ist die Kohle der Zukunft." Das ahnte bereits Jules Verne. "Wasserstoff und Sauerstoff, die beiden Bestandteile des Wassers, werden zu einer unerschöpflichen Quelle von Wärme und Licht werden", schrieb er 1874 in seinem Roman "Die geheimnisvolle Insel".
Heute, mehr als ein Jahrhundert später, soll die Brennstoffzelle genau diesen Weg in eine umweltfreundliche Wasserstoffwelt bahnen. Die Zelle hat das Potenzial zum Universalkraftwerk der Zukunft, muss vor dem Schritt in den Markt aber noch einige technische Hürden nehmen.
Statt aus Erdöl, Kohle oder Gas gewinnt die Brennstoffzelle Strom und Wärme aus der Verbrennung von Wasserstoff, im Idealfall völlig schadstofffrei. Dabei ist sie so variabel einsetzbar, dass es für nahezu jedes Anwendungsgebiet bereits einen Prototyp gibt - vom Handy bis zum Heizkraftwerk. "Im Grunde genommen ist die Brennstoffzelle genauso revolutionär wie es der Generator von Siemens war", meint Wasserstoffforscher Professor Jochen Lehmann von der Fachhochschule Stralsund.
Dabei ist das Prinzip der Brennstoffzelle sogar älter: Der britische Physiker Sir William Grove hatte 1839 erstmals Strom auf elektrochemischen Weg aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, 27 Jahre, bevor Werner von Siemens seinen Wechselstromgenerator zum Laufen brachte. Doch erst das Apollo-Programm erweckte die Brennstoffzellentechnik aus seinem langen Dämmerschlaf.
Inzwischen werden Brennstoffzellen nicht nur in der Raumfahrt genutzt. So haben etwa Freiburger Fraunhofer-Forscher Minikraftwerke für Camcorder und Laptops entwickelt. Als Batterieersatz für tragbarer Elektronikgeräte werden sich Brennstoffzellen als Erstes am Markt durchsetzen, erwartet das Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag.
Das liegt unter anderem an ihrer deutlich längeren Betriebsdauer. "Der Energieverbrauch neuer Kleingeräte nimmt schneller zu als die Energiedichte neuer Batterien", stellt das Büro in einer Studie fest. Die Minibrennstoffzelle werde nicht viel teurer sein als heutige Lithium-Ionen-Akkus.
In die Heizungskeller soll die neue Technik ebenfalls bald einziehen, als kombinierter Strom- und Wärmespender. "In zwei Jahren wird es auch Geräte für die Energieversorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern geben", schätzt Ulrich Schmidtchen vom Deutschen Wasserstoff-Verband. Bei der Schweizer Firma Sulzer Hexis startet bereits jetzt die Produktion eines Brennstoffzellen-Heizgeräts.
Eine Umwälzung erwartet die Autoindustrie. Der Brennstoffzellenantrieb von morgen soll Autos effizienter, leiser und schadstoffärmer machen. Die meisten Autokonzerne rechnen nach Angaben des Karlsruher Fraunhofer-Instituts für Systemtechnik und Innovationsforschung jedoch nicht vor 2010 mit nennenswerten Stückzahlen.
"Es wird länger dauern als bisher angenommen, bis man großtechnisch mit der Brennstoffzellentechnik auf den Markt kann", sagt auch Rudolf Henne, Abteilungsleiter am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart. Zum einen ist die Technik noch verhältnismäßig teuer. Zum anderen hängt die Ökobilanz der Brennstoffzelle entscheidend davon ab, woher der Wasserstoff stammt. Er ist zwar beispielsweise im Wasser im Übermaß vorhanden, muss daraus aber erst gewonnen werden.
Langfristig wird sich die Wasserstoffwirtschaft nach Ansicht von Lehmann durchsetzen: "In der Energietechnik hat jede Änderung rund 20 Jahre gebraucht. So wird es auch mit dem Wasserstoff sein."
Wie man Wasserstoff gewinnt
Er ist das häufigste Element im Universum, steckt in jedem Lebewesen, die Weltmeere enthalten Milliarden Tonnen davon: Wasserstoff. Obwohl er fast überall vorhanden ist, ist das chemische Leichtgewicht dennoch schwer zu gewinnen. Als Bestandteil von Wasser und organischen Stoffen ist Wasserstoff stets chemisch gebunden. Um ihn von seinen Partnern zu trennen, wird viel Energie benötigt.
Rund 500 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff setzt die Industrie weltweit pro Jahr um. So haben sich bereits eine Reihe großtechnischer Methoden zu seiner Erzeugung etabliert. Meist gewinnt man Wasserstoff durch die "Dampfspaltung" von Erdgas. Dabei wird dieses an einem Katalysator mit Wasserdampf umgesetzt. Neben Wasserstoff entsteht Kohlenmonoxid, das mit weiterem Wasserdampf in Kohlendioxid und Wasserstoff überführt wird.
Seit Anfang der achtziger Jahre entwickelt die norwegische Firma Kvaerner ein Verfahren, das mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens Erdgas oder Öl bei circa 1600 Grad in reinen Kohlenstoff und Wasserstoff auftrennt. Dieser Prozess hat den Vorteil, dass keine nennenswerten Emissionen auftreten, er benötigt aber viel Kühlwasser und Elektrizität. Zurzeit befindet sich das Verfahren noch im Stadium der Erprobung.
Neben den chemischen Methoden ist vor allem die Elektrolyse von Wasser ein verbreitetes Verfahren. Will man fossile Ressourcen entlasten, sollte man Wasserstoff mit erneuerbaren Energiequellen aus Wasser herstellen. Billiger Strom aus Wasserkraft in Kanada oder Norwegen käme dafür infrage, Solarstrom aus dem Sonnengürtel der Erde oder eventuell Strom aus Kernkraftwerken.
In zwei Jahren sollen die ersten Energieversorgungssysteme für Einfamilienhäuser erhältlich sein
"Wasser ist die Kohle der Zukunft." Das ahnte bereits Jules Verne. "Wasserstoff und Sauerstoff, die beiden Bestandteile des Wassers, werden zu einer unerschöpflichen Quelle von Wärme und Licht werden", schrieb er 1874 in seinem Roman "Die geheimnisvolle Insel".
Heute, mehr als ein Jahrhundert später, soll die Brennstoffzelle genau diesen Weg in eine umweltfreundliche Wasserstoffwelt bahnen. Die Zelle hat das Potenzial zum Universalkraftwerk der Zukunft, muss vor dem Schritt in den Markt aber noch einige technische Hürden nehmen.
Statt aus Erdöl, Kohle oder Gas gewinnt die Brennstoffzelle Strom und Wärme aus der Verbrennung von Wasserstoff, im Idealfall völlig schadstofffrei. Dabei ist sie so variabel einsetzbar, dass es für nahezu jedes Anwendungsgebiet bereits einen Prototyp gibt - vom Handy bis zum Heizkraftwerk. "Im Grunde genommen ist die Brennstoffzelle genauso revolutionär wie es der Generator von Siemens war", meint Wasserstoffforscher Professor Jochen Lehmann von der Fachhochschule Stralsund.
Dabei ist das Prinzip der Brennstoffzelle sogar älter: Der britische Physiker Sir William Grove hatte 1839 erstmals Strom auf elektrochemischen Weg aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, 27 Jahre, bevor Werner von Siemens seinen Wechselstromgenerator zum Laufen brachte. Doch erst das Apollo-Programm erweckte die Brennstoffzellentechnik aus seinem langen Dämmerschlaf.
Inzwischen werden Brennstoffzellen nicht nur in der Raumfahrt genutzt. So haben etwa Freiburger Fraunhofer-Forscher Minikraftwerke für Camcorder und Laptops entwickelt. Als Batterieersatz für tragbarer Elektronikgeräte werden sich Brennstoffzellen als Erstes am Markt durchsetzen, erwartet das Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag.
Das liegt unter anderem an ihrer deutlich längeren Betriebsdauer. "Der Energieverbrauch neuer Kleingeräte nimmt schneller zu als die Energiedichte neuer Batterien", stellt das Büro in einer Studie fest. Die Minibrennstoffzelle werde nicht viel teurer sein als heutige Lithium-Ionen-Akkus.
In die Heizungskeller soll die neue Technik ebenfalls bald einziehen, als kombinierter Strom- und Wärmespender. "In zwei Jahren wird es auch Geräte für die Energieversorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern geben", schätzt Ulrich Schmidtchen vom Deutschen Wasserstoff-Verband. Bei der Schweizer Firma Sulzer Hexis startet bereits jetzt die Produktion eines Brennstoffzellen-Heizgeräts.
Eine Umwälzung erwartet die Autoindustrie. Der Brennstoffzellenantrieb von morgen soll Autos effizienter, leiser und schadstoffärmer machen. Die meisten Autokonzerne rechnen nach Angaben des Karlsruher Fraunhofer-Instituts für Systemtechnik und Innovationsforschung jedoch nicht vor 2010 mit nennenswerten Stückzahlen.
"Es wird länger dauern als bisher angenommen, bis man großtechnisch mit der Brennstoffzellentechnik auf den Markt kann", sagt auch Rudolf Henne, Abteilungsleiter am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart. Zum einen ist die Technik noch verhältnismäßig teuer. Zum anderen hängt die Ökobilanz der Brennstoffzelle entscheidend davon ab, woher der Wasserstoff stammt. Er ist zwar beispielsweise im Wasser im Übermaß vorhanden, muss daraus aber erst gewonnen werden.
Langfristig wird sich die Wasserstoffwirtschaft nach Ansicht von Lehmann durchsetzen: "In der Energietechnik hat jede Änderung rund 20 Jahre gebraucht. So wird es auch mit dem Wasserstoff sein."
Wie man Wasserstoff gewinnt
Er ist das häufigste Element im Universum, steckt in jedem Lebewesen, die Weltmeere enthalten Milliarden Tonnen davon: Wasserstoff. Obwohl er fast überall vorhanden ist, ist das chemische Leichtgewicht dennoch schwer zu gewinnen. Als Bestandteil von Wasser und organischen Stoffen ist Wasserstoff stets chemisch gebunden. Um ihn von seinen Partnern zu trennen, wird viel Energie benötigt.
Rund 500 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff setzt die Industrie weltweit pro Jahr um. So haben sich bereits eine Reihe großtechnischer Methoden zu seiner Erzeugung etabliert. Meist gewinnt man Wasserstoff durch die "Dampfspaltung" von Erdgas. Dabei wird dieses an einem Katalysator mit Wasserdampf umgesetzt. Neben Wasserstoff entsteht Kohlenmonoxid, das mit weiterem Wasserdampf in Kohlendioxid und Wasserstoff überführt wird.
Seit Anfang der achtziger Jahre entwickelt die norwegische Firma Kvaerner ein Verfahren, das mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens Erdgas oder Öl bei circa 1600 Grad in reinen Kohlenstoff und Wasserstoff auftrennt. Dieser Prozess hat den Vorteil, dass keine nennenswerten Emissionen auftreten, er benötigt aber viel Kühlwasser und Elektrizität. Zurzeit befindet sich das Verfahren noch im Stadium der Erprobung.
Neben den chemischen Methoden ist vor allem die Elektrolyse von Wasser ein verbreitetes Verfahren. Will man fossile Ressourcen entlasten, sollte man Wasserstoff mit erneuerbaren Energiequellen aus Wasser herstellen. Billiger Strom aus Wasserkraft in Kanada oder Norwegen käme dafür infrage, Solarstrom aus dem Sonnengürtel der Erde oder eventuell Strom aus Kernkraftwerken.
