Editorial: Die Brennstoffzellen-Blütenträume

Brennstoffzellen sind eine tolle Sache: Ganz ohne Flamme und Hitze, ohne sich bewegende Teile, ohne giftige halbverbrannte Abgase verwandeln sie die chemische Energie der verwendeten Brennstoffe direkt in elektrischen Strom. Schon die Apollo-Astronauten nutzten Brennstoffzellen beim Flug zum Mond, und auch die Space Shuttles sind seit Anfang an damit ausgestattet.

Angesichts der regelmäßigen Brennstoffzellen-Nutzung in der bemannten Raumfahrt ist es kein Wunder, dass zahlreiche Teams rund um den Globus an der Weiterentwicklung der Brennstoffzelle forschen, um sie auch für den Mann auf der Straße nutzbar zu machen. Die Vorteile wären gewaltig: Eine vergleichsweise kleine Methanolpatrone würde tagelangen Dauerbetrieb von Brennstoffzellen-Handy oder -Laptop ermöglichen. Und ein Brennstoffzellen-Auto käme mit ein paar Kilogramm Wasserstoff tausend Kilometer weit.

Es vergeht kaum eine Messe, auf der nicht der Prototyp einer "fast serienreifen" Brennstoffzelle vorgestellt wird. teltarif.de hat immer wieder darüber berichtet, etwa im Jahr 2000 und auch neulich. Freilich schaffen es die Prototypen nie zum Produkt. Selten wird die Einstellung der Entwicklung offiziell verlautbart. Meist gehen die betroffenen Firmen einfach sang- und klanglos wieder ein.

Das Scheitern hat System, nicht nur in der Elektronik-Industrie. Die Ingenieure von BMW tauften die "fuel cell" vor einigen Jahren kurzerhand zur "fool cell" um, und bauten ein Wasserstoffauto, das das Gas in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor verbrennt. Das funktioniert zwar gut, ist aber aus energetischen Gründen ziemlicher Unsinn, weswegen der Wasserstoff-BMW inzwischen ebenfalls Geschichte ist. Das Elektroauto ist auch bei BMW wieder aktuell, aber nicht auf Basis der Brennstoffzelle, sondern auf Basis moderner Batterien.

Chemische Schwierigkeiten

Brennstoffzelle fürs Handy Als beispielhaftes Problem der Brennstoffzellen sei der Wirkungsgrad genannt: 50 Prozent gelten schon als gut, und die werden meist nur mit Zellen erreicht, die hohe Drücke und Temperaturen verwenden. Bei niedrigeren Temperaturen und den besser handhabbaren flüssigen Brennstoffen (z.B. Methanol statt Wasserstoff) sinkt der Wirkungsgrad entsprechend. Je geringer aber der Wirkungsgrad, desto mehr Brennstoff, ergo unhandlichere Patronen, braucht man, und desto mehr unerwünschte Abwärme entsteht. Weitere Probleme der Brennstoffzelle betreffen deren Kosten, Lebensdauer und Leistungsdichte.

Zum Vergleich: Die bei Handy und Laptop inzwischen praktisch ausnahmslos eingesetzten Li-Ion-Akkus haben eine Quanteneffizienz von über 99,9 Prozent: Nur ein ganz kleiner Bruchteil des Stroms, der in einen solchen Akku geladen wird, gerät auf Abwege, so dass praktisch die gesamte Ladung auch wieder entnommen werden kann. Durch unvermeidliche Verluste am Innenwiderstand des Li-Ion-Akkus liegt die Gesamteffizienz zwar niedriger. Doch sind diese Verluste umso geringer, je langsamer die Ladung bzw. Entladung erfolgt, so dass regelmäßig ein Gesamtwirkungsgrad von über 90 Prozent (Ladung und Entladung zusammen, jedoch ohne Berücksichtigung von Verlusten im Ladegerät) erreicht wird.

Den guten Wirkungsgrad der Lithium-Akkus kann man leicht selber überprüfen, indem man ein ausgeschaltetes, kaltes Notebook mit entladenem Akku zum Aufladen ans Netzteil anschließt. Das Netzteil wird dabei dank mittlerem Wirkungsgrad (70 bis 80 Prozent) recht warm, der Akku bleibt vergleichsweise kühl. Im Entladebetrieb ist das nicht so offensichtlich: Hier heizen oft Prozessor und Chipsatz über das Gehäuse das ganze Notebook auf, inklusive Akku. Und nicht alle Akkus sind so gut wie Li-Ion: Die als Batterie-Ersatz beliebten NiMH-Akkus verheizen in der letzten Ladephase einen Großteil des Ladestroms ungenutzt als Abwärme.

Der gute Wirkungsgrad der Lithium-Akkus zeigt aber, dass Elektrochemie sehr, sehr effizient sein kann. Aber warum klappt das dann nicht bei den Brennstoffzellen? Nun, wahrscheinlich spielt hier die relative Trägheit der Arbeitsstoffe wie Sauerstoff bzw. Luft auf der einen und Wasserstoff bzw. Methanol auf der anderen Seite eine Rolle. Bei deren Reaktion wird zwar viel Energie frei. Mischt man diese miteinander, passiert dennoch erst mal gar nichts. Erst ein Zündfunke oder eine andere Energiezufuhr von außen setzt die chemische Kettenreaktion in Gang, die im scherzhaften Schülerspruch: "Chemie ist, wenn es stinkt und kracht" ihren Ausdruck findet. In der Brennstoffzelle senken zwar Katalysatoren die nötige Energiezufuhr, aber dennoch können die Elektroden nur einen Teil der bei der komplexen Reaktionskette freiwerdenden Gesamtenergie abgreifen.

Man könnte natürlich Ausgangssubstanzen nehmen, die deutlich stärker und mit einfacherer Reaktionskette miteinander reagieren, um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu verbessern. Doch wird es dann ganz schnell giftig und/oder brandgefährlich, und zwar auch ohne Zündfunke, allein durch das Auslaufen einer Reagenzie. Auch hierfür sind die Li-Ion-Akkus ein gutes Beispiel: Deren Lithium-Gehalt beträgt nur wenige Prozent. Praktisch der gesamte Rest des Akkus dient dazu, das reaktive Lithium in Schach zu halten. Dummerweise kann es nun bei höheren Temperaturen zu unerwünschten Reaktionen zwischen diesen Zusatzstoffen und damit zum gefürchteten Thermal Runaway kommen.

Bleibt die Forschung

Somit verbleibt die Möglichkeit, Brennstoffzellen durch weitere Grundlagenforschung zu verbessern. Bekanntermaßen verläuft diese sprunghaft. Manchmal passiert jahrelang nichts, und dann kommt man dank des Geistesblitz eines Forschers oder durch eine Zufallsentdeckung plötzlich einen Riesenschritt weiter. Und so ist durchaus denkbar, dass ein Team ein neues Katalysatormaterial findet, das die Konstruktion effizienter und zuverlässiger Brennstoffzellen ermöglicht. Bis dahin bleibt die Brennstoffzelle aber ein Nischenprodukt, von der Raumfahrt bis zum Schulversuch.

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