Mit (Rücken)Wind zur kalten Verbrennung

Angesichts weltweit steigender Durchschnittstemperaturen müssen vor allem die großen Industrienationen daran arbeiten, ihre Umweltbilanz zu verbessern. Sie haben zudem auch eine Vorbildfunktion und die finanziellen Mittel, Forschung in diesem Umfeld voranzutreiben. Eine der vielen Möglichkeiten, regenerative Energie zu nutzen, ist die kalte Verbrennung in Brennstoffzellen.

Bis 2025 soll knapp die Hälfte des Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energien stammen. Die große Herausforderung dabei: Elektrische Energie muss zum Zeitpunkt ihrer Entstehung verbraucht werden – ein Zusammenhang, der Netzbetreiber mittlerweile verzweifeln lässt. Denn umso mehr Energie aus erneuerbaren Quellen (Wind, Wasser und Sonnenlicht) eingespeist werden, desto stärker wird das Stromnetz durch stark schwankenden Energiemengen belastet. Ideal wäre, wenn man überschüssige regenerative Energie zwischenspeichern könnte und sie wieder abgibt, wenn von den regenerativen Quellen nicht ausreichend elektrischer Strom geliefert wird (Nacht, Windstille).

Eine der vielen verschiedenen Speichermöglichkeiten greift auf eine Lösung zurück, die 1970 Berühmtheit erlangte: die Mondmission Apollo 13 wird zur Katastrophe, weil der Sauerstofftank einer Brennstoffzelle explodiert.

Brennstoffzellen wandeln chemische Reaktionsenergie in Strom um. Die bekannteste Reaktion ist das Zusammenführen von Sauerstoff und Wasserstoff zu H2O.

Die smarte Idee für unregelmäßig vorhandenen, überschüssigen Strom aus regenerativen Quellen: In sogenannten Elektrolyseuren (umgekehrte Reaktion wie in der Brennstoffzelle) wird die elektrsiche Energie genutzt, um Wasser aufzuspalten. Der dabei erzeugte Wasserstoff wird gespeichert. Dieser kann dann in Brennstoffzellen zu einem späteren Zeitpunkt CO2-neutral wieder in Strom umgewandelt werden. Das Prinzip klingt nicht nur einfach, es ist es.

Zwar sind die dafür notwendigen technischen Vorrichtungen bereits seit langem erforscht und entwickelt. Doch dem großtechnischen Einsatz stehen mehrere Faktoren entgegen. Ein gewichtiger ist der bisher niedrige Preis für andere Energiequellen. Denn dadurch mangelt es nicht nur an Nachdruck bei der Entwicklung massenfertigungstauglicher Brennstoffzellen. Auch der fehlende Ausbau der notwendigen Infrastruktur (Speicher, Transport) steht einer breiten Nutzung entgegen. Ausserdem ist die Lebensdauer einer Brennstoffzelle noch immer sehr stark abhängig vom Einsatz. Diskontinuierlicher Betrieb, Teillast- und stark wechselnde Lastbetriebe belasten die funktionalen Elemente einer Brennstoffzelle.

Bislang konnte die Brennstoffzellen-Technologie nur in wenigen Teilbereichen nennenswerte Zuwächse verzeichnen. Typische Beispiele sind stationäre Anlagen zur Erzeugung von Strom und Wärme im häuslichen Bereich, vor allem in Japan. Einige der großen deutschen Hersteller von Heizungsanlagen haben solche Brennstoffzellen-Geräte im Angebot (Callux-Projekt, BZHregio).

Immer dann, wenn dezentral Strom benötigt wird, kann eine Brennstoffzelle zum Einsatz kommen: Wohnmobile, Flurförderfahrzeuge, Schiffe, militärische Einrichtungen, Messeinrichtungen usw. Dabei liefert die Brennstoffzelle zumeist einen kontinuierlichen Ladestrom, um Pufferbatterien aufzuladen.

Zwei besonders interessante Entwicklungsbereiche sind die stationären industriellen Anlagen, die durch die Kraft-Wärme-Kopplung auf Wirkungsgrade an die 90% erreichen und der mittlerweile stetig wachsende Markt der Elektro-Mobilität.

So wurde ausgerechnet von einem Automobilhersteller die erste mit einem Elektrolyseur betriebene Wasserstoff-„Tankstelle“ in Betrieb genommen. Und ein bekanntest Mannheimer Industrieunternehmen hat das erste 1 MW Brennstoffzellen-Kraftwerk 2016 in Betrieb genommen. Dagegen nutzen z.B. Kreuzfahrtschiffe noch immer nicht diese umweltfreundliche Technologie, obwohl große Schiffe den Strombedarf von Kleinstädten haben. Grund dafür: Mit Schiffstreibstoff erzeugter Strom ist an die 100mal günstiger wie Strom aus einer Brennstoffzelle.

Diese Beispiele zeigen, dass noch „viel Luft nach oben“ offen ist. Die Bundesregierung fördert über die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) Forschungsvorhaben wie Elektra (Hybrid-elektrische Antriebe für die Schifffahrt), NAPE (Förderprogramm zur Anschaffung von Brennstoffzellen für Privatkunden), WindGas Hamburg (PEM-Elektrolyse) oder im Rahmen von CEP (Clean Energy Partnership) die Nutzung der Brennstoffzellentechnologie. So lange andere Energiequellen jedoch erheblich günstiger sind, wird die nun fast 180 Jahre alte Technik der Brennstoffzelle vor allem in Nischenmärkten eingesetzt.

Doch der Druck wächst. Die Umweltziele für CO2-Reduktion und die hohe Abhängigkeit von im Ausland zugekauftem Erdgas und Erdöl sowie die immer stärker boomende Elektromobilität fördern nicht nur Technologiesprünge bei der Batterietechnik (Speicher für elektrische Energie bis in den MWh-Bereich), sondern rückt auch die Brennstoffzelle in den Fokus zukünftiger Entwicklungen.

Alle großen Automobilhersteller haben neben Batterie-Hybrid oder vollelektrischen Modellen mittlerweile auch Brennstoffzellen-betriebene Fahrzeuge in der Planung. Dazu muß die Technik der Brennstoffzellen so robust gemacht werden, dass sie den rauen Betrieb (Klimawechsel, Vibration, Lastwechsel) möglichst ein Autoleben lang aushält. Firmen wie Mercedes, Toyota, Audi, Volkswagen und BMW entwickeln bereits lange an solchen alltagstauglichen Fahrzeugen und haben erste Prototypen vorgestellt. Der Serienproduktion steht nicht nur das bislang fehlende Wasserstoff-Tankstellensystem entgegen, sondern auch der durch die geringe Stückzahl begründete hohe Anschaffungspreis. Daher fördert die Bundesregierung über NOW derzeit massiv auch die Anschaffung solcher Fahrzeuge für Kommunale Träger wie Betreiber des öffentlichen Nahverkehrs.

Fazit: Wasserstoff aus Strom zu gewinnen (Power-to-Gas) ist eine zukunftsorientierte Technik, die sich gerade im Großmaßstab zu etablieren beginnt. Ziel sind 1.000 MW installierte Leistung in 2022. Kommerziell attraktiv wird der Einsatz dieses Energieträgers (Speichermediums) dadurch, dass überschüssige Kapazitäten aus den Regenerativen Energien (vor allem Windkraft) kostengünstig zur Verfügung steht.

Der Nutzung des so produzierten Wasserstoffs in Brennstoffzellen steht bisher vor allem der fehlende Anreiz durch erzielbare Gewinne entgegen. Darum wird nicht in diese Technologie investiert.

Doch es deuten sich mittlerweile z.B. durch den Dieselskandal beschleunigte Prozess an, die zu mehr Energieeffizienz und Nutzung „sauberer Energie“ führen. Sie können auch der Brennstoffzellentechnologie den lange erwarteten Schub in Richtung breiter Serienanwendung bringen. Noch ist allerdings viel Luft nach oben offen.

CMC Klebetechnik steht als Technologiepartner Herstellern aus dem Bereich Brennstoffzellen mit hochwertigen Folien und Beschichtungen als Entwicklungs- und Produktionspartner zur Verfügung.

Windräder