Forschungszentrum: Eine Brennstoffzelle wie ein Überraschungsei

Forschungszentrum Jülich : Eine Brennstoffzelle wie ein Überraschungsei

Die Werbung hat ja früher gesagt, dass Überraschungseier gleich drei Dinge auf einmal können. Das Überraschungsei im Bereich der Energiespeichertechnik haben die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich (FZJ) noch nicht gefunden.

Und trotzdem hat das Team um die beiden Maschinenbauer Prof. Ludger Blum und Roland Peters etwas geschafft, dass überraschenderweise mehr kann.

Ein Brennstoffzellen-System nämlich, das die seltene Fähigkeit besitzt, gleich zwei wichtige Dinge zu können, die für das Thema Energiewende wichtig sind: Strom in Form von Wasserstoff speichern und die im Wasserstoff gespeicherte Energie zurück verstromen. „Das können einige andere auch“, sagt Blum. „Aber keiner kann die Verstromung mit einem so hohen Wirkungsgrad wie wir und in einer so kompakten Bauweise.“

62 Prozent beträgt der Wirkungsgrad der sogenannten reversiblen Zelle im Brennstoffzellenmodus. 62 Prozent der im Wasserstoff gespeicherten Energie verwandelt die Brennstoffzelle zurück in Strom. Zum Vergleich: Klassische Stromerzeugung geschehe im Mittel bei 35 Prozent, Braunkohlekraftwerke gewinnen aus ihrem Energieträger laut Blum 40 bis 45 Prozent.

Klimaneutral

Der große Vorteil: „Die Energiegewinnung aus Wasserstoff ist klimaneutral“, erklärt Peters. Im Gegensatz zum Verbrennen der Braunkohle wird kein Kohlendioxid in die Atmosphäre abgegeben. Natürlich sei zu bedenken, dass die Herstellung der Brennstoffzelle an sich kein klimaneutraler Prozess sei. Allerdings sei die Belastung in Summe, da sind sich Blum und Peters einig, deutlich geringer. Auch im Vergleich zur Herstellung einer Batterie für Elektroautomobile.

70 Prozent beträgt der Wirkungsgrad in umgekehrter Richtung, wenn die Zelle 800 Grad heißen Wasserdampf in Wasserstoff umwandelt. Elektrolyse heißt dieser Schritt. Ist der Wasserstoff der Akku, dann hat die Brennstoffzelle quasi die Funktion eines Ladegeräts. „So lange die Sonne scheint, kann ich Energie in Wasserstoff speichern. Wenn ich Strom brauche, dann schalte ich in den Brennstoffzellenbetrieb, investiere den Wasserstoff und produziere so Strom“, erklärt Blum das Prinzip. Innerhalb weniger Minuten kann die reversible Brennstoffzelle umschalten von Wasserstoffproduktion auf Stromproduktion.

Zwei wesentliche Fragen der Energiewende können die Jülicher Forscher also im Labormaßstab beantworten: Ja, es geht, dass der eigentliche Prozess der Stromproduktion klimaneutral funktioniert. Und ja, es gibt die theoretische Möglichkeit, Energie in großen Mengen zu speichern für die Zeit, in der es keinen Strom aus Wind und Sonne gibt. Beides ist mit einem System möglich.

Vielleicht doch zum Ei mit drei Überraschungen wird die Jülicher Brennstoffzelle, weil sie einen weiteren Vorteil hat: Die Materialien, aus denen sie besteht, sind günstiger. Eben war von 800 Grad heißem Wasserdampf die Rede: Die reversible Brennstoffzelle ist ein Hochtemperatur-System. Das kommt, im Gegensatz zu Einweg-Niedertemperaturanlagen ohne teurere Edelmetalle wie Platin oder Iridium als Katalysator aus.

Das alles klingt nach einer Überraschungsei-Lösung für viele große Probleme, die auf dem Weg zur Energiewende bewältigt werden müssen. „Da sind wir dann bei einem Thema angekommen, das der Grund für so manches graue Haar bei mir ist“, erklärt Blum. Die Energie sei ein konservativer Wirtschaftszweig.

„Selbst wenn klar ist, dass die Kosten für den neuen Weg genau so hoch sind wie für den alten, wird immer das bereits Bekannte gewählt.“ Laut Blum seien in Deutschland bisher keine großen Konzerne auf das Prinzip der reversiblen Brennstoffzelle angesprungen, die meisten Interessenten seien kleinere Unternehmen oder Start-ups.

Peters und er gehen davon aus, dass das Prinzip der reversiblen Brennstoffzelle, an der in Jülich mit allen Vorarbeiten schon seit 25 geforscht wird, bis zur Marktreife gebracht werden kann. Drei Jahre hat das Team die reversible Brennstoffzelle geplant, ein Jahr hat der Bau der Testanlage gedauert. Die Steigerung im Wirkungsgrad resultiert aus dem Optimieren der Brenngasnutzung beispielsweise, oder der Materialien und Bauteile.

Wasserstoff als Treibstoff

Denkbar sei das Prinzip für die Energieversorgung von Haushalten oder als dezentrale Lösung für Siedlungen und Stadtteile. Die Brennstoffzelle kann auch die Lösung für die Mobilität sein: Autos werden mit einem heute üblichen Elektromotor ausgestattet. Anstelle einer Batterie sei das Auto laut Blum mit einem Wasserstofftank und einer Brennstoffzelle bestückt. Das Reichweitenproblem der Elektroautos gebe es nicht, 500 bis 600 Kilometer mit einer Wasserstofftankfüllung seien realistisch.

Dafür ist das Netz mit 55 Tankstellen bundesweit zu löchrig. Bis 2023 beabsichtigt die Industrie mit Unterstützung der Bundesregierung das Einrichten von insgesamt 400 Wasserstoff-Tankstellen. Effizienter sei Wasserstoff als Treibstoff allemal. Der Wirkungsgrad von Diesel liege laut Blum bestenfalls bei 40 Prozent, der von Benzin sei nochmal um circa 10 Punkte schlechter.

Andere Länder seien mit dieser Entwicklung weiter, schildert Blum, Südkorea beispielsweise oder Japan. Ein Unternehmen aus der Schweiz habe gerade 1000 wasserstoffbetriebene Lkw bei Hyundai bestellt. Möglich sei auch der Einsatz in Großindustrieanlagen, in denen heißer Wasserdampf auftritt. Der könnte dann in einer Art Zweitverwertung mit Hilfe der reversiblen Brennstoffzelle als Energiespeicher und zur Stromproduktion genutzt werden.

Damit sich die Jülicher Entwicklung am Markt durchsetzt, muss die Industrie mitspielen. Im Moment seien laut Ludger Blum die Kosten für ein Auto, das mit Wasserstoff betrieben wird, rund doppelt so hoch wie vergleichbare Benziner- und Diesel-Modelle. „Das liegt aber an der Stückzahl. Wird die größer, dann fällt der Preis.“ Ähnliches gilt für die stationäre Energieversorgung. Industrie und vor allem der Endverbraucher müssen mitspielen, damit die Brennstoffzelle – und damit auch die reversible Brennstoffzelle – eine Schlüsseltechnologie der Energiewende wird.

(jan)
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