Brennstoffzellen im Fokus – Teil 2

Brennstoffzellen für Reserve- und Bedarfsstrom könnten zur Netz-Stabilität beitragen
Brennstoffzellen für Reserve- und Bedarfsstrom könnten zur Netz-Stabilität beitragen

Im gestrigen Gastbeitrag erläuterte Gastautor und Branchenexperte Gil Shavit die Herausforderungen, die die Energiewende für die Netzstabilität bedeutet und welche Reserveanwendungen es für die moderne „Energiewolke“ zur Regulierung von Stromverbrauchsspitzen gibt. Im zweiten Teil des Artikels geht er näher auf die Fortschritte der modernen Generation von Brennstoffzellen sowie auf ihren möglichen Beitrag zu einer stabilen und umweltfreundlichen Energieversorgung ein.

Was ist eine Brennstoffzelle?

Die Erfindung der ersten Brennstoffzelle wird William Grove im Jahr 1839 zugeschrieben. Aber auch Deutschland spielte eine wichtige Rolle in der Geschichte der Brennstoffzelle und es ist heute weithin anerkannt, dass die gleiche Entdeckung zur gleichen Zeit durch den deutsch-schweizerischen Physiker Christian Friedrich Schönbein gemacht wurde. In der Tat stellte die in den 1920er Jahren in Deutschland betriebene Forschung im Bereich von Brennstoffzellen die Grundlage für die Entwicklung der modernen Brennstoffzelle dar, wie wir sie heute kennen.

Was aber ist eine Brennstoffzelle? Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Energieumwandlungs-Bauelement, das Strom durch Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser erzeugt. Brennstoffzellen wandeln genau wie Batterien potentielle chemische Energie in elektrische Energie um und erzeugen als Nebenprodukt Wärme.

Batterien speichern jedoch die chemische Energie, anstatt Energie zu erzeugen. Das bedeutet, dass sie nur für eine begrenzte Dauer nutzbar sind, bis sie entsorgt oder erneut aufgeladen werden. Brennstoffzellen können kontinuierlich Strom und Wärme erzeugen, wenn sie mit einer unbegrenzten Menge an Wasserstoff-Brennstoff versorgt werden.

Es gibt fünf primäre Brennstoffzellen-Typen:

  • Alkalische Brennstoffzellen (Niedrigtemperatur)
  • Proton-Austausch-Membran-Brennstoffzellen (Niedrigtemperatur)
  • Phosphor-sauere Brennstoffzellen (mittlere Temperatur)
  • Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (hohe Temperatur)
  • Oxidkeramische Brennstoffzellen (hohe Temperatur)

Jeder Brennstoffzellen-Typ hat seine eigenen inhärenten Stärken und Schwächen, die ihn für spezifische Märkte und Anwendungen geeigneter machen.

Unser Unternehmen verwendet beispielsweise die alkalische Brennstoffzellen-Technologie (AFC), die auch von Energieversorgern eingesetzt wird. Sie wurde ursprünglich für Anwendungen im Bereich der Luft- und Raumfahrt entwickelt, wo Zuverlässigkeit und Haltbarkeit wesentliche Anforderungen sind. Um aber diese wichtigen Attribute zu erzielen, kamen in Anwendungen für die Luft- und Raumfahrt Platin und Palladium in ihren Elektroden und anderen Komponenten zum Einsatz. Eine Folge war, dass alkalische Brennstoffzellen für erdgebundene Stromerzeugungsmärkte unerschwinglich waren.

Hier hat unser Team mehrere wichtige Durchbrüche erzielt, um die Kapitalkosten des Systems zu reduzieren. Durch die Neugestaltung vieler Komponenten mit dem Ziel, weniger kostspielige Materialien zu verwenden, waren wir in der Lage, teures Platin von unseren Kathoden zu entfernen und die Menge an Palladium erheblich zu reduzieren. Durch den Verzicht auf Platin bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Lebensdauer und der Effizienz der AFC konnten wir die Kostenschwelle durchbrechen, die bis dato den breiten Einsatz dieser Technologie unmöglich gemacht hatte.

Zusätzlich ermöglichen es die sogenannten CO2-Scrubber, dass unsere Brennstoffzellen den in der Außenluft vorhandenen Sauerstoff verwenden können. Für Energieversorgungsunternehmen bieten diese Innovationen alle begehrten Vorteile von Brennstoffzellen, aber zu einem Preispunkt, der mit Batterieräumen und Dieselgeneratoren konkurrieren kann.

Einsatzbereiche für Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind also ganz klar eine sehr attraktive Technologie für Energieversorger. Aber wer setzt sie heute ein?

San Diego Gas & Electric (SDG&E), ein führendes nordamerikanisches Energieunternehmen das zu Sempra gehört, konnte 2017 in Zusammenarbeit mit uns testen, wie Brennstoffzellen zu seinen Bemühungen beitragen könnten, das sauberste, sicherste und zuverlässigste Energieunternehmen in Amerika zu werden. Neben SDG&E setzt auch der renommierte israelische nationale Energieversorger IEC (Israel Electric Company) seit kurzem Brennstoffzellentechnologie ein. IEC liefert ungefähr 85% des Stroms in Israel.

Viele andere Energieversorger auf der ganzen Welt nutzen bereits Brennstoffzellen in ihren Unternehmen bzw. beschäftigen sich ernsthaft mit dem Gedanken. Es ist klar, dass diese Technologie eine wichtige Lösung für eine der großen Herausforderungen der Branche sein wird.

Barrieren überwinden

Es bestehen immer noch Barrieren für einen breiten und schnellen Einsatz von Brennstoffzellen. Bei diesen handelt es sich hauptsächlich um eine Frage der Aufklärung. Wenn wir mit Interessenten sprechen, müssen wir oftmals deren Meinung korrigieren, indem wir demonstrieren, dass die heute zum Einsatz kommende Technologie ganz anders als die der 1970er und 1980er Jahre ist. Frühere Kommerzialisierungsprobleme sind jetzt gelöst und wir zeigen ihnen, dass die moderne Brennstoffzelle sowohl robust als auch erschwinglich ist.

Diese Art des Gesprächs ist zweifellos allen Herstellern von Brennstoffzellen gemein. Wichtig für die Energieversorgungsunternehmen auf der ganzen Welt sind jedoch Praxisbeispiele die belegen, dass die Kosten einer Brennstoffzelle zur Minimierung der Ausfallzeit des Netzes eine offensichtliche und sinnvolle Entscheidung sind.

Brennstoffzellen für die breite Masse

Unternehmen aller Arten und Größen setzen bereits Wasserstoff- und Brennstoffzellen in ihrem Geschäft ein. Führende Unternehmen wie z. B. Apple, Verizon und Coca-Cola nutzen stationäre Brennstoffzellen für die Stromerzeugung. Toyota, Honda, Hyundai und Mercedes kommen mit Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antrieb für Verbraucher und die Güterfracht auf den Markt.

Und spezifisch in Deutschland unterstützen viele weltweit führenden deutschen Autohersteller, darunter Daimler, BMW und VW, ein Projekt zur Erforschung des Einsatzes von wasserstoffbasierten Brennstoffzellen für Auto-Kraftwerke. Dieses Projekt wird anscheinend auch vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur mit Fördergeldern in Höhe von 21,3 Millionen Euro im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennzellentechnologie (NIP) unterstützt, das von der Nationalen Organisation für Wasserstoff- und Brennzellentechnologie (NOW) koordiniert wird. [1]

Ballungsgebiete und Flughäfen fangen auch an, auf emissionsfreie Busse mit Wasserstoffantrieb umzustellen. In Deutschland, anderen europäischen Ländern und den USA werden Wasserstoff-Tankstellen gebaut, um den Herausforderungen der Wasserstoff-Verteilung für Verbraucher zu begegnen. Das US-Energieministerium hat erklärt, dass Wasserstoff- und Brennstoffzellen kurz vor einem „Wendepunkt“ stehen.[2]

Bei unserem Übergang zu einer umweltfreundlicheren Wirtschaft, in der Wasserstoffantriebe eine zunehmend größere Rolle spielen, überwinden Brennstoffzellenlösungen für Reserve- und Bedarfsstrom die erheblichen Schwächen anderer sauberer Technologien wie z. B. Solar und Wind. Und dank modernster Innovationen, die frühere Aspekte der Erschwinglichkeit gelöst haben, ergänzt bzw. ersetzt die Brennstoffzellentechnologie jetzt sogar alte Reservelösungen wie Batterien und Dieselgeneratoren, die bei Energieversorgern auf der ganzen Welt im Einsatz sind. Spezifisch für Deutschland könnte die Brennstoffzellentechnologie einen wesentlichen Beitrag zur Stabilisierung erneuerbarer Energien und seine weltweit führende Position im Einsatz nachhaltiger Energie leisten.

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Foto: Gil Shavit
Foto: Gil Shavit

Der Gastautor: Gil Shavit verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung als Gründer erfolgreicher Technologieunternehmen, unter anderem in der Versorgungsindustrie. Heute ist er Chairman des Brennstoffzellen-Herstellers GenCell.

[1] https://www.electrans.co.uk/get-stacked-germany-looks-fuel-cell-manufacturing/

[2] US Department of Energy. „On the Verge of a Hydrogen Tipping Point?“ – https://goo.gl/6R5Hjl

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