Innovative Brennstoffzellen aus Jülich sind „praktisch klimaneutral“

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Jülicher Wissenschaftler sind wie im Vorjahr auf der Hannover-Messe 2013 vertreten und zeigen neue Ansätze und Lösungen, um mit Brennstoffzellen den Kohlendioxid-Ausstoß zu reduzieren. Foto: FZJ
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Jülicher Brennstoffzellen-Stack mit Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-BrennstoffzellenJülicher Brennstoffzellen-Stack mit Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFC)

Jülich. Auf der Hannover-Messe 2013 präsentiert das Forschungszentrum Jülich (FZJ) bis zum 12. April praktisch klimaneutrale Brennstoffzellen für Fahrzeuge, Gebäude und die Industrie. Jülicher Wissenschaftler arbeiten seit Jahren in internationalen Kooperationen an Komponenten, Modulen und Systemen, durch deren Einsatz sich der Kohlendioxidausstoß maßgeblich reduzieren lässt.

Auf Stand C68, Halle 27 der Hannover-Messe zeigen Mitarbeiter des Forschungszentrums neue Ansätze und Lösungen, mit denen sich der Energieverbrauch senken, die Nutzung erneuerbarer Energien verstärken und Wasserstoff in großen Mengen als Energiespeicher und Kraftstoff erzeugen lässt.

„Brennstoffzellen arbeiten praktisch klimaneutral, wenn sie mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff betrieben werden“, betont Dr. Bernd Emonts vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3). „Auch durch die Umsetzung von Biokraftstoffen und die effizientere Nutzung von fossilen Brennstoffen kann diese Technologie zur massiven Minderung der Kohlendioxid-Emissionen in Deutschland beitragen.“

Noch in der Entwicklung befindliche Elektrolyseure mit Polymermembranen versprechen außerdem einen hohen Wirkungsgrad für die großtechnische Herstellung von Wasserstoff und ermöglichen es damit, Wasserstoff als Speichermedium für erneuerbare Energien einzusetzen.

Trucks für den Fernverkehr oder Kühlwagen für Gefriergut verbrauchen beispielsweise für die Klimatisierung mit einer Leistung von 3 bis 10 kW im Schnitt genauso viel Energie wie ein Mehrfamilienhaus. Bisher wird der Strom in der Regel durch einen an den Motor angeschlossenen Generator mit einer Batterie als Puffer bereitgestellt. Dabei beträgt der elektrische Gesamtwirkungsgrad der Stromproduktion in den Standzeiten, also im Leerlaufbetrieb der Antriebsmaschine, nur etwa rund zehn Prozent. Das Brennstoffzellensystem arbeitet mit einem potenziellen Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent deutlich effizienter. Darüber hinaus läuft es praktisch geräuschlos und verursacht deutlich weniger giftige oder gesundheitsschädliche Abgase als ein Dieselmotor.

Das System setzt für die Bordstromversorgung Diesel und Kerosin direkt in Elektrizität um. Das spart nicht nur Kraftstoff, sondern verursacht auch deutlich weniger Lärm und gesundheitsschädliche Abgase. Das Testsystem erzielt eine elektrische Leistung von 5 Kilowatt (kW), ein vorgeschalteter Reformer wandelt die Flüssigkraftstoffe für die eingesetzten Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFC) in ein Brenngas um. Seit es in Kalifornien verboten ist, Trucks während der Pausen im Leerlauf mit Strom für die Heizung oder Klimaanlage zu versorgen, sind Hilfsstromaggregate mit Brennstoffzellen eine interessante Lösung für „Sleeper Trucks“, in denen Fahrer auf längeren Strecken übernachten.

Leicht und kompakt

Leicht und kompakt aufgebaute Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) können flüssiges Methanol oder Biomethanol direkt in elektrischen Strom umwandeln. DMFC-Systeme müssen anders als Batterien nicht zeitaufwendig aufgeladen werden, da sich der Brennstoff, so das FZJ, problemlos nachfüllen lässt. Mit einem Serviceroboter für den Logistikbereich zeigen Jülicher Forscher eine von verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten. Der Brennstoffzellentyp eignet sich insbesondere als Batterieersatz im Bereich der sogenannten leichten Traktion und der unterbrechungsfreien Stromversorgung.

Ersatz für Gasmotoren

Wenn Strom in großen Kraftwerken produziert wird, geht viel Energie verloren, weil die Abwärme oft ungenutzt entweicht. Die von kleinen Blockheizkraftwerken (BHKW) freigesetzte Wärme lässt sich dagegen zum Heizen von Gebäuden und für Industrieprozesse verwenden, was den Gesamtwirkungsgrad deutlich erhöht. Brennstoffzellen arbeiten dabei noch effizienter als die konventionell eingesetzten Gasmotoren und bieten darüber hinaus eine interessante Option für die Zukunft: Mit ihnen lässt sich nicht nur Erdgas, sondern auch regenerativ erzeugter Wasserstoff verstromen. Vor diesem Hintergrund haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich ein neues System mit oxidkeramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellen (engl. Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) entwickelt, das eine Gesamtleistung von 20 kW liefert. Die Module sind bereits für eine kostengünstige Serienfertigung optimiert, ihre Komponenten - Brennstoffzellen-Stacks, Wärmetauscher und Reformer zur Brennstoffaufbereitung lassen sich ohne Rohre einfach aufeinanderstapeln.

Extreme Überlasten

Verlustarme, großskalige Elektrolyseverfahren sind eine Grundvoraussetzung, um Wasserstoff als Speichermedium für erneuerbare Energien zu nutzen. Derzeitige Anlagen setzen Kalilauge als Elektrolyt ein und laufen weitestgehend konstant. Durch die geringe Überlastfähigkeit ist die Erzeugung von Wasserstoff aus Lastspitzen, die etwa bei starkem Wind auftreten, begrenzt – eine Verschwendung. Wissenschaftler und Techniker am FZJ entwickeln daher Verfahren, die mit protonenleitenden Polymermembranen (PEM) arbeiten und den Aufbau größerer Anlagen erleichtern. Mithilfe dieser Technologie lassen sich extreme Überlasten aufnehmen, da sie Wasserstoff mit wesentlich höheren Stromdichten und Wirkungsgraden erzeugt als die alkalische Elektrolyse.

Bevor die PEM-Elektrolyse in der Praxis eingeführt werden kann, sind allerdings noch wichtige Herausforderungen zu meistern: Leistungsdichte und Lebensdauer müssen gesteigert, die Produktionskosten noch verringert werden, damit sich diese Technologie rentiert.

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