Vorwort
Die Brennstoffzelle
Bald eine ernstzunehmende Alternative für die Fahrzeugindustrie?
Maturaarbeit von Patric Bigler, Klasse1c, Gymnasium Lerbermatt
Schliern, 10. August 2003
Fachliche Betreuung: Rudolf Stucki
Vorwort
Als ich mich für ein Thema für die Maturaarbeit entscheiden musste, wusste ich zuerst überhaupt nicht, in welche Richtung ich diese Arbeit schreiben möchte. Ich überlegte mir, was mich interessieren würde. Nach reiflicher Überlegung war für mich klar, dass ich eine naturwissenschaftliche Maturaarbeit mit praktischem Teil in Angriff nehmen würde. Da ich mich schon seit meiner Zeit in der Primarschule für alternative und erneuerbare Energien interessiere, bin ich auf die Idee gekommen, mich der immer mehr an Bedeutung gewinnenden Brennstoffzelle zuzuwenden. Um das Thema meiner Maturaarbeit einzugrenzen, entschloss ich mich, mich der zukünftigen Brennstoffzelle im Strassenverkehr zu widmen.
Damit der praktische Teil der Arbeit nicht zu kurz kommt, untersuchte ich den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle, welche ich beim Paul Scherrer Institut in Villigen, nach kurzer Instruktion durch Herr Dr. Felix Büchi, abholen durfte. Die Brennstoffzelle wurde mir für eine geraume Zeit für Messungen zur Verfügung gestellt. Herr Dr. Felix Büchi ist der Projektleiter des erfolgreichen PowerPac, welches am Ende des Kapitels 4.1.
2 kurz besprochen wird.
Im praktischen Teil meiner Arbeit habe ich mich in der Physik mit neuen, interessanten Aspekten (wie z.B. die ideale Gasgleichung) auseinandergesetzt, die für mich früher völliges Neuland waren. Dank dem Kontakt mit dem Paul Scherrer Institut und der physikalischen Abteilung der Universität Fribourg, durfte ich zum ersten Mal die spannende Arbeit von Forscherinnen und Forschern verfolgen.
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort 22 Inhaltsverzeichnis 33 Einleitung 44 Theoretischer Teil 54.
1 Die Brennstoffzelle 54.1.1 Die Geschichte der Brennstoffzelle 54.1.2 Funktion und Aufbau der PEM Brennstoffzelle 64.1.
3 Verschiedene Typen von Brennstoffzellen 84.1.4 Brennstoffzellen in der Autoindustrie 94.1.4.1 BMW 94.
1.4.2 Honda 94.1.4.3 Volkswagen 94.
1.4.4 Daimler Chrysler 104.1.4.5 Opel und General Motors 104.
1.4.6 Emissionsfreies Pistenfahrzeug 114.2 Der Wasserstoff 114.2.1 Herstellung von Wasserstoff für den täglichen Gebrauch 114.
2.2 Speicherarten von Wasserstoff 134.2.2.1 Problem der Speicherung 134.2.
2.2 Druckgasflaschen 134.2.2.3 Flüssigwasserstoff 134.2.
2.4 Metallhydridspeicher 134.2.2.5 Grafitnanofasern (GNF) 144.2.
2.6 Chemische Speicherung in Toluol 144.2.3 Die Problematik des Tankstellennetzes für Wasserstoff – eine Berechnung 145 Praktischer Teil: Bestimmung des Wirkungsgrades einer PEM Brennstoffzelle 165.1 Versuchsanordnung 165.2 Stromstärke-Spannungsdiagramm 175.
3 Stromstärke-Leistungsdiagramm 185.4 Messung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle 205.5 Fehlerquellen für die Abweichung von den Literaturwerten 216 Diskussion und Aussichten 227 Danksagung 238 Literaturverzeichnis 249 Bildnachweis 24
Einleitung
Der heutige Mensch benötigt sehr viel Energie. Nebst der in seinem Körper gespeicherten Energie braucht er elektrische Energie für seine Haushaltsgeräte, aber er braucht auch fossile Energie, damit sein Auto fährt und seine Flugzeuge fliegen. Durch die stetig wachsende Bevölkerung und die fortschreitende Industrialisierung der Entwicklungsländer wächst der Energiebedarf langsam ins Unermessliche. Wir wissen, dass die Erdölquellen in wenigen Jahrzehnten versiegen werden.
Wir wissen auch, dass fossile Brennstoffe unsere Umwelt belasten und dass elektrische Energie wegen CO2 Emissionen nicht aus Kohle- und Ölkraftwerken gewonnen werden sollte. Der motorisierte Strassenverkehr ist einer der grössten CO2 Sünder. Trotz besseren Motoren und Rücksicht auf die Umwelt steigt Jahr für Jahr die CO2 Belastung.
Wir wissen alle, dass gehandelt werden muss, und zwar vor allem auf politischer Ebene. Nebst den umweltfreundlichen, erneuerbaren Energiequellen, wie Solar-, Wind- und Wasserenergie, scheint die Brennstoffzelle allmählich einen Platz in unserer Energie fressenden Gesellschaft zu finden. Laut Experten wird die Brennstoffzelle in einigen Jahrzehnten Energiequelle Nummer eins des Menschen sein.
Denn mit den Brennstoffzellen lässt sich nicht nur ein Haus mit Wärme und elektrischem Strom versorgen. Die Brennstoffzelle scheint auch in Zukunft in vielen Autos als Energielieferant ihren Dienst zu erweisen.
Mit meiner Maturaarbeit will ich Antworten auf die Frage geben, ob die Brennstoffzelle in absehbarer Zeit ein alternativer Energielieferant im Strassenverkehr sein kann.
Theoretischer Teil
Die Brennstoffzelle
Die Geschichte der Brennstoffzelle
Der Grundstein für die heutige Brennstoffzelle (engl. Fuel Cell) wurde bereits 1839 durch den englischen Jurist und Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896) gelegt. Als er Experimente mit der Elektrolyse durchführte, welche mittels elektrischem Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet, stellte er fest, dass der Vorgang der Elektrolyse umkehrbar ist.
Er war es, der den ersten funktionsfähigen Prototypen der Brennstoffzelle konstruierte. Seine Brennstoffzelle, welche er dazumal „galvanische Gasbatterie“ nannte, bestand aus zwei Elektroden aus Platin, die jeweils von einem Glaszylinder umschlossen waren. Der eine Zylinder wurde mit Sauerstoff, der andere mit Wasserstoff gefüllt. Die beiden Elektroden tauchte Grove in verdünnte Schwefelsäure, welche als Elektrolyt für die Reaktion diente und somit eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Elektroden schuf. An den Elektroden konnte Grove nun eine Spannung messen, die jedoch gering war. Um eine höhere Spannung zu erzielen, schaltete er mehrere galvanische Gasbatterien zusammen.
Das von Werner von Siemens im Jahre 1866 entdeckte elektrodynamische Prinzip und somit die Entwicklung der Generatoren, liessen die im Vergleich leistungsmässig schwache Brennstoffzelle in Vergessenheit geraten. Zudem waren die Brennstoffzellen wegen ihren teuren Werkstoffen uninteressant. Erst in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts schenkte man der Entdeckung Groves wieder Beachten. Es war vor allem der Kalte Krieg, der die Brennstoffzelle zu neuem Leben erweckt hatte, denn in der Militärtechnik und in der Raumfahrt benötigte man kompakte Energiequellen. 1963 hatte das amerikanische Energieversorgungsunternehmen General Electric eines der ersten Brennstoffzellensysteme entwickelt, welches erfolgreich in den Gemini-Raumkapseln Einsatz fand. Auch beim Apollo Programm der NASA wurden die Raumfahrzeuge anstelle von Batterien mit Brennstoffzellen ausgerüstet, da Batterien zu schwer gewesen wären.
Zu Beginn der 90er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die Brennstoffzelle für die zivile Nutzung interessant. Ingenieure und Wissenschaftler entwickelten von nun an neue Technologien und Konzepte für die Brennstoffzelle, um die Leistungsfähigkeit zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Inzwischen wurde diese Technologie so weit entwickelt, dass sie heute vielerorts Einsatzmöglichkeiten bietet. Zurzeit sind Notebooks, Handys, Fahrzeuge, ja sogar hauseigene Kleinkraftwerke, ausgerüstet mit Brennstoffzellen, in der Testphase. Erste Brennstoffzellen sind nun auf dem Markt. Jedoch sind sie sehr teuer.
Wann die ersten erschwinglichen Brennstoffzellen im Strassenverkehr auftauchen, ist nicht absehbar. Jedenfalls soll das erste Pistenfahrzeug mit Wasserstoffverbrennungsmotor bereits im kommenden Winter 2003/04 im Jungfraugebiet eingesetzt werden.
Funktion und Aufbau der PEM Brennstoffzelle
Die Abkürzung „PEM“ der beschriebenen Brennstoffzelle steht für die „Polymer-Elektrolyt-Membran“ oder aber auch „Proton Exchange Membrane“, welche eine wichtige Komponente der Brennstoffzelle darstellt. Diese Membran dient als Elektrolyt und trennt die Gase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 voneinander, damit nicht unerwünscht die gefährliche Knallgasreaktion eintreten kann. Die Membran ist für Protonen durchlässig, so dass es nur den Protonen H+ gelingt, durch die Membran durchzudringen, jedoch nicht den verbleibenden Elektronen e- des ursprünglichen Wasserstoffs. Die Elektronen sind gezwungen, den Weg via Anode durch einen elektrischen Leiter zu nehmen.
Es fliesst ein elektrischer Strom Richtung Kathode.
An der Kathode verbinden sich nun zwei Elektronen mit je einem Sauerstoffatom. Es gelangen je zwei Protonen zu jedem entstandenen O2- hinzu. Es handelt sich dabei um die Protonen, die inzwischen durch die Membran gewandert sind. Somit entsteht auf der Kathodenseite als Reaktionsprodukt reines Wasser. Die abgelaufene Reaktion ist eine kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff.
Die Reaktionsgleichung der PEM Brennstoffzelle lautet:
Reaktion an der Anode:
Reaktion an der Kathode:
Gesamtreaktion:
Es handelt sich um die bekannte Knallgasreaktion, die stark exotherm abläuft. Pro mol entstehendem Wasser wird eine Energie von -572 kJ freigesetzt.
Da eine einzige Brennstoffzelle nur eine sehr geringe Leistung aufweist, schaltet man mehrere Zellen zusammen. Solche Stapel von Brennstoffzellen (auch „Stacks“ genannt) sind vor allem für die Autoindustrie von Bedeutung, da vor allem leistungsstarke Elektromotoren in zukünftigen Automobilen eingebaut werden. Bei einem bipolaren Stapelaufbau stehen Einzelzellen jeweils durch eine gemeinsame Bipolarplatte miteinander in elektrischem Kontakt. Die Bipolarplatte führt auf der einen Seite das Brenngas und auf der anderen Seite Luft oder Sauerstoff zu den jeweiligen Elektroden.
Der Name Bipolarplatte stammt von folgendem Sachverhalt: Minuspol an der Anodenseite (Wasserstoff) und Pluspol an der Kathodenseite (Sauerstoff). Die Summe der einzelnen Zellspannungen nennt man Stackspannung. Diese wird durch Stromabnehmer am Anfang und am Ende des Zellstapels abgeführt. Die Bipolarplatten machen zirka 80% des gesamten Stapelgewichts aus. Sie sind auch für die Wärme- und Wasserabführung verantwortlich. Das Abführen von Wasser und Wärme wird durch so genannte „Flowfields“, die in der Bipolarplatte eingefräst sind, erreicht.
Die auf der Wasserstoffseite entstandenen Elektronen werden durch die Platte auf die Sauerstoffseite geleitet .
Das so genannte „PowerPac“, welches vom Paul Scherrer Institut in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich entwickelt wurde, ist auch bipolar aufgebaut. Es hat nur eine Grösse von einer Reisetasche und besteht aus 42 gestapelten Brennstoffzellen. Das PowerPac erreicht bei Dauerbetrieb eine elektrische Leistung von knapp 1 kW. Ungefähr 15% der produzierten Energie wird vom PowerPac selber verbraucht (Kühlung, Elektronik, etc.).
Diese Einzelanfertigung kostet pro kW Leistung 30'000 Franken!
Es gibt aber auch monopolare Stapel. Bei diesen sind die einzelnen Zellen jeweils von einem Isolator getrennt und der Strom, welche jede Zelle produziert, wird einzeln mit einem Leiter abgeführt.
Verschiedene Typen von Brennstoffzellen
Nebst der beschriebenen PEM Brennstoffzelle (PEMFC), welche als Brennstoff Wasserstoff benötigt, gibt es noch weitere Brennstoffzellen. In der folgenden Liste sind die am häufigsten verwendeten Typen aufgelistet.
Name und internationale Abkürzung
Verwendeter
Elektrolyt
Brennstoff
Anwendungsgebiet
Bemerkungen, Wirkungsgrad
Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle
(PEMFC)
Polymermembran
aus Nafion
Wasserstoff
Automobilindustrie,
Raumfahrt, Schifffahrt
Hohe Leitungsdichte,
bis 20 kW,
η = 50-60 %
Direkt Methanol Brennstoffzelle
(DMFC)
Polymermembran
Methanol
Automobilindustrie
Anode produziert CO2
η = 40 %
Alkalische Brennstoffzelle
(AFC)
Kalilauge
Reiner Wasserstoff
Raumfahrt, Schifffahrt, Transport
Auf dem Markt, jedoch teuer,
50-100 kW Leistung,
η = 50-65 %
Phosphorsaure Brennstoffzelle
(PAFC)
Phosphorsäure
Durch Reformierung von Methanol wird direkt Wasserstoff hergestellt
Blockheizkraftwerke
50-500 kW
η = 35-45 %, bereits auf dem Markt vom Hersteller ONSI
Schmelzkarbonat Brennstoffzelle
(MCFC)
Calciumcarbonat
Wasserstoff,
Kohlegas,
Methan
Blockheizkraftwerke
50-500 kW
100 kW Leistung, noch in Testphase
η = 45-60 %
Festkeramik / Festoxid Brennstoffzelle
(SOFC)
Zirkonoxid
Wasserstoff,
Methan, Kohlegas
Blockheizkraftwerke
50-500 kW
25 kW Leistung, noch in Testphase
η = 50-60 %
Der heute am häufigsten erforschte und oft in Labors verwendete Brennstoffzellentyp ist die PEM Brennstoffzelle. Der Vorteil dieser Zelle liegt darin, dass das Reaktionsprodukt reiner Wasserdampf ist, was natürlich die Umwelt schont.
Die Herstellung des Wasserstoffs für eine grosse Zahl von PEM Brennstoffzellen ist jedoch nicht unproblematisch (siehe Kapitel 4.2.1). Zudem sind die Werkstoffe für einen serienmässigen Einsatz noch zu teuer. Die Kosten pro kW Leistung einer PEMFC würden sich bei serienmässiger Produktion auf umgerechnet ungefähr 3000 Franken belaufen.
Brennstoffzellen in der Autoindustrie
Auch die grossen Autokonzerne haben sich der umweltfreundlichen Brennstoffzelle zugewandt.
BMW, mit ihrem „Clean Energy“- Programm, Daimler Chrysler mit ihrer Mercedes A-Klasse „F-Cell“, Honda mit dem Personenwagen „FCX“ und andere Fahrzeughersteller haben alle ein Ziel: Sie wollen so schnell wie möglich ihre umweltfreundlichen Modelle kostengünstiger, leistungsfähiger und sicherer machen und so attraktive und umweltfreundliche Alternativen zu den heutigen Fahrzeugen auf den Markt bringen.
BMW
Viel versprechend klingt das teils noch in Entwicklungsphase stehende Automobil BMW 750hL. Dieses Auto soll eine Leistung von 250 kW erreichen und mit einem Tankinhalt 580 Kilometer fahren können. Es handelt sich hier nicht um einen mit Brennstoffzellen angetriebenen Elektromotor, sondern um einen 6-Zylinder Wasserstoffverbrennungsmotor. Um die Bordelektronik und die Klimaanlage bei ausgeschaltetem Motor mit Energie zu versorgen, entwickelt BMW einen leistungsfähigen Brennstoffzellenstapel für den 750hL.
Seit Mai 2000 wird dieses Modell in Kleinserie produziert, jedoch mit bivalentem Verbrennungsmotor, der nebst Wasserstoff auch mit Benzin betrieben werden kann, da die Infrastruktur von Wasserstofftankstellen noch nicht ausgebaut ist (siehe Kapitel 4.
2.3).
BMW entwickelte in den vergangenen Jahren einen mobilen Tank für flüssigen Wasserstoff (auch LH2 (Liquid Hydrogen)Tanks genannt). Weitere Informationen zu Flüssigwasserstoff folgen im Kapitel 4.2.2.
3.
Honda
Honda entwickelt und forscht zurzeit an ihrer Autoreihe „FCX“. Das Ziel Hondas ist nicht nur der serienmässige Einsatz von Brennstoffzellen in naher Zukunft in ihren Automobilen. Der Konzern forscht auch auf Basis der dezentralen Energieversorgung, das heisst, dass jeder Haushalt mittels Brennstoffzellen seine eigene Energie und seine eigene Wärme produzieren würde, während der dazu benötigte Wasserstoff durch Wind- und Sonnenenergie via Elektrolyse gewonnen würde.
Volkswagen
Volkswagen hat in Zusammenarbeit mit dem Paul Scherrer Institut und der ETH in Zürich ebenfalls einen Prototypen entwickelt. Es handelt sich dabei um den VW Bora HY.
Power. Dieser entwickelt eine Leistung von 45 kW. Seine Höchstgeschwindigkeit beträgt 135 km/h, die Reichweite liegt bei rund 150 km. Durch den Einsatz von so genannten „Supercaps“ kann eine Leistungssteigerung erreicht werden. Bei den „Supercaps“ handelt es sich um zwei Hochleistungskondensatoren. Beispielsweise bei einer Talfahrt mit dem Auto wird der Motor als Generator genutzt, so dass elektrische Energie erzeugt wird und diese vom Supercap-System zu 70% aufgenommen werden kann.
Anschliessend kann das Auto mit dieser zwischengespeicherten Energie wieder beschleunigt werden, ohne die Brennstoffzelle in Anspruch zu nehmen.
Daimler Chrysler
Daimler Chrysler hat die meisten Projekte mit Brennstoffzellenantriebe für Autos realisiert.
Seit Anfangs des Jahres 2003 sind in zehn europäischen Städten dreissig mit Brennstoffzellen ausgestattete „Mercedes Benz Citaro“ Busse im Einsatz. Sie besitzen jeweils eine Ausgangsleistung von 200 Kilowatt und erreichen eine Spitzengeschwindigkeit von 80 km/h.
Ebenfalls seit Anfangs dieses Jahres ist eine kleine Flotte der Mercedes A-Klasse mit Brennstoffzellenantrieb unter dem Namen
„F-Cell“ auf den Strassen in Kalifornien, Deutschland und Asien unterwegs. Die vorangehenden Projekte, waren unter den Namen NECAR1, NECAR2, NECAR3, NECAR4, NECAR5 und NEBUS bekannt.
NECAR1 (New Electric Car) wurde 1994 erfolgreich getestet. Jedoch war NECAR1 mehr oder weniger ein rollendes Labor. Es blieb kaum Platz für einen Beifahrer. Der Nachfolger NECAR2 war aber bereits mit sechs Sitzplätzen ausgestattet und erbrachte eine Leistung von 50 Kilowatt. Mitte 1997 erreichte der NEBUS mit einer Tankfüllung eine Reichweite von 250 Kilometer und wies eine Leistung von 250 Kilowatt auf. NECAR3, NECAR4 und NECAR5 waren lediglich Verbesserungen des vorangehenden NECAR2.
Erwähnenswert ist, dass das Methanol betriebene Brennstoffzellenfahrzeug NECAR5 über 5250 km quer durch die Vereinigten Staaten gefahren ist, was Langstreckenrekord für ein mit Brennstoffzellen angetriebenes Fahrzeug bedeutet.
2001 wurde der Minivan „Natrium“ vorgestellt. Er fährt mit Natriumborhydrid. Durch Katalysieren wird elementarer Wasserstoff gewonnen, welcher nun als Brennstoff für den leistungsstarke Brennstoffzellenstapel dient.
Opel und General Motors
Opel entwickelte mit General Motors zusammen schon drei Autos, die von Brennstoffzellen angetrieben wurden. Die neuste Entwicklung heisst HydroGen 3.
Dieses Modell besitzt ein Brennstoffzellenstack mit einer Spitzenleistung von 129 Kilowatt.
Emissionsfreies Pistenfahrzeug
Besonders interessant ist der Bau des neuen Wasserstoff-Pistenfahrzeugs, welches von Dr. A. Züttel der Universität Fribourg und dem Team von “Swiss Alps 3000“ vom Dieselfahrzeug auf die umweltfreundliche Variante umgebaut wird. Im kommenden Winter soll das Fahrzeug bereits die Skipisten im Berner Oberland präparieren.
Der Wasserstoff wird von den Kraftwerken Oberhasli bereitgestellt.
Durch Elektrolyse wird immer nur dann Wasserstoff hergestellt, wenn die Nachfrage nach Strom klein ist (beispielsweise in der Nacht). Bis 2013 sollen in den Schweizer Alpen rund tausend umgerüstete Fahrzeuge ihren
Dienst verüben und so zehn Millionen Liter Diesel sparen.
Der Wasserstoff
Schon 1874 hat Jules Verne die Bedeutung des Wasserstoffs erkannt:
"Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern."
Wenn es darum geht, langfristig für eine umweltfreundliche Zukunft vorzuplanen, so gilt Wasserstoff als einer der aussichtsreichsten Energieträger, denn Wasserstoff reagiert sowohl in Brennstoffzellen als auch bei direkter Verbrennung mit Sauerstoff zu reinem Wasser und setzt eine hohe nutzbare Energie frei, ohne Kohlendioxid zu emittieren.
Gebunden in Wasser ist Wasserstoff zudem durch den geschlossenen Wasserkreislauf auf unserem Planeten theoretisch in unbegrenzter Menge vorhanden. Zu einer Ressourcenverknappung kann es dadurch nicht kommen.
Herstellung von Wasserstoff für den täglichen Gebrauch
Die Forschung an Brennstoffzellen ist wichtig, um so schnell wie möglich von fossilen Energieträgern wegzukommen. Jedoch darf sich die Forschung nicht auf immer leistungsfähigere Motoren und Brennstoffzellen beschränken. Intensive Forschung muss unbedingt auch in der Produktion von Wasserstoff gemacht werden. Zurzeit wird der grösste Teil dieses sauberen Brennstoffs aus Kohle- oder Ölreformierung gewonnen.
Jedoch sind die weltweiten Erdölreserven laut Erdölvereinigung Schweiz auf 165 Milliarden Tonnen beschränkt, was den Erdölbedarf der Welt ungefähr die nächsten 47 Jahre decken sollte. Durch die Reformierung von Kohle und Öl entstehen nicht nur der erwünschte Wasserstoff, sondern weitere, unerwünschte chemische Verbindungen, wie z.B. CO2. Die Formel zur Reformierung von Methanol (CH3OH) (bei einer Temperatur von 280°C) zeigt, dass auch hier Kohlendioxid anfällt:
Einige Testautos des Daimler Chrysler Autokonzerns basieren auf diesem Reformierungs-konzept. Die Automobile haben einen Reformer an Bord, so dass Methanol getankt werden kann.
In Zusammenarbeit mit der deutschen Tankstellenkette Aral werden auch Fahrzeuge konzipiert, welche mit Mineralölprodukten getankt werden können. Beispielsweise können aus einem einzigen Molekül des im Ottokraftstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffs Heptan sechzehn Wasserstoff-Teilchen gewonnen werden. Auch bei dieser Reformierung fällt Kohlendioxid an.
Eine andere, oft verwendete Methode zur Gewinnung von Wasserstoff ist die Elektrolyse. Sie ist, wie bereits erwähnt, die Umkehrreaktion des Ablaufs, der sich bei der Brennstoffzelle abspielt. Durch elektrische Energie wird also Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet.
Nebst der nicht gerade saubersten Methode der Ölreformierung zur Wasserstoffgewinnung, wird immer häufiger Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen. Das Problem dieser Methode liegt an der benötigten elektrischen Energie, die heute grösstenteils von Öl- und Kohlekraftwerken stammt. Diese Kraftwerke belasten bekanntlich die Umwelt mit CO2 –Emissionen. Eine wirklich saubere Produktion von Wasserstoff erreicht man nur, wenn man auf Alternativen punkto Stromproduktion ausweicht.
Damit man beim Automobil, das mit Wasserstoff fährt, tatsächlich von einem „Zero Emission Car“ sprechen darf, müsste der Wasserstoff ausschliesslich durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energien, wie Sonnen-, Wind, und Wasserkraftwerken hergestellt werden.
Denn fallen irgendwo in der ganzen Produktionskette des Wasserstoffs für die Umwelt schädliche Verbindungen an, so ist das erstrebende Ziel des umweltfreundlichen Autoantriebs meiner Meinung nach noch nicht erreicht.
In Kalifornien hat die Zukunft bereits begonnen: Um unter anderem eine umweltschonende Elektrolyse für die Produktion von Wasserstoff durchzuführen, baute man mehrere Solarkraftwerke mit je 200'000 m3 Fläche und einer Leistung von je 30 Megawatt. Des Weiteren werden dort Parabolspiegel gebaut, in dessen Brennpunkt ein Stirlingmotor steht, welcher einen 30-Kilowatt-Generator antreibt.
Speicherarten von Wasserstoff
Problem der Speicherung
„Der Wasserstoff ist der Energieträger der Zukunft. Schliesslich geht es nicht nur um unsere künftige Versorgung mit Energie, sondern auch um unsere Umwelt.“ Wieso fahren dann nicht schon seit langem Automobile mit Wasserstoff auf den Strassen, kennen wir doch den umweltfreundlichen Brennstoff bereits seit ungefähr 1800? Das Hauptproblem liegt in der Problematik der kompakten Speicherung. Der Wasserstoff ist äusserst feuer- und explosionsgefährlich, wenn er mit Sauerstoff in Kontakt kommt (Knallgasreaktion).
So müssen Speicherarten entwickelt werden, welche die Sicherheit der Menschen gewährleisten und zudem den Wasserstoff auf einem möglichst kleinen Raum speichern können. Die heute verwendeten, wichtigsten Speicherarten werden kurz erklärt.
Druckgasflaschen
Abb. 6: Druckspeicher für Autos
Über die gasförmige Speicherung in Druckgasflaschen kann man folgendes sagen: Je höher der Druck im Wasserstofftank ist, desto höher ist auch die Speicherdichte. In handelsüblichen Druckgasflaschen beträgt der Überdruck 200 bar. Dies stellt ein gewisses Sicherheitsrisiko dar.
Wasserstoffbehälter können bei einem Zusammenstoss beschädigt werden und infolge des hohen Druckes explodieren. Es wurden Stahlbehälter konstruiert, welche für einen Überdruck bis 600 bar geeignet sind.
Flüssigwasserstoff
Um den Wasserstoff zu verflüssigen, muss dieser auf -253°C heruntergekühlt werden. Zur Verflüssigung ist ausserdem ein Energieaufwand von 36 kJ/g erforderlich, der etwa einem Drittel der im Wasserstoff gespeicherten Energie entspricht. Die Methode der Speicherung des Flüssigwasserstoffs ist effizienter, als die Komprimierung des Wasserstoffs in einem Drucktank, da die Energiedichte des flüssigen Treibstoffs viermal so gross ist wie die des komprimierten Gases. Mit dem Flüssigwasserstoff erhält man eine doppelt so grosse Menge an verwendbarer Energie als bei komprimiertem Wasserstoff.
Flüssigwasserstoff (LH2) wird in so genannten Kryotanks (griechisch kryos = Frost, Kälte) gelagert. Diese Tanks besitzen eine luftleere und verspiegelte Doppelwand (wie Thermosflaschen), so dass eine Wärmeleitung weitgehend unterbindet wird. Trotzdem verdampfen bei den heutigen Kryotanks der Wasserstoffautos täglich immer noch zwei bis drei Prozent des Tankinhalts!
Metallhydridspeicher
Es gibt Metalle, die grosse Mengen Wasserstoff wie ein Schwamm "aufsaugen", so speichern und wieder abgeben können. Der Wasserstoff kann so mit einer noch höheren Dichte als im flüssigen Zustand gespeichert werden. Solche Verbindungen werden Metallhydride genannt. Der Wasserstoff lässt sich, trotz der hohen Speicherdichte im Metallhydrid, unter niedrigem Druck beladen und entnehmen.
Die Speicherung von Wasserstoff in Metallhydriden ist von allen Speichervarianten bei weitem die Sicherste. Der Nachteil dieser Methode liegt im hohen Gewicht der Hydridspeicher.
Grafitnanofasern (GNF)
An der Northeastern University in Boston ist gegenwärtig ein Verfahren in Entwicklung, welches alle bisherigen Wasserstoffspeicherverfahren übertreffen soll. Wasserstoff lagert sich dabei in mehreren Lagen auf Grafitfasern mit Querschnitten von 5-100 Nanometern und Längen von 5-100 Mikrometern an. Der Mechanismus ist noch nicht geklärt. Ein GNF-Fahrzeugtank von etwa 25 L Volumen und 15 kg Grafitmasse soll einem viersitzigen Kleinwagen mit Brennstoffzellenantrieb mindestens 1.
500 Kilometer Reichweite ermöglichen. Danach müssen die Grafitfasern in Form einer Kartusche ersetzt werden. Tankstellen im eigentlichen Sinne wären nicht notwendig.
Chemische Speicherung in Toluol
Toluol (Phenylmethan, C6H5CH3) ist ein Benzinzusatz. Wasserstoff kann chemisch in Toluol gespeichert werden. Für mobile Anwendungen ist diese Methode der Speicherung von Wasserstoff jedoch uninteressant, da die Einrichtungen zum Wiederabtrennen des Wasserstoffs aus Toluol schwer und voluminös sind.
Ausserdem löst Toluol beim Einatmen Haut- und Augenreizungen und Störungen des zentralen Nervensystems aus. Beispielsweise bei einem Autounfall mit Feuer würde sich Toluol bei 480°C selbst entzünden!
Es gibt also einige Möglichkeiten, Wasserstoff in Automobilen zu speichern. Nun ist es an der Automobilindustrie, den sichersten, günstigsten und zugleich effizientesten Speicher in den zukünftigen Fahrzeugen einzubauen.
Die Problematik des Tankstellennetzes für Wasserstoff – eine Berechnung
Um die ersten Busse und Autos von Daimler Chrysler und von BMW mit Wasserstoff im Raum München zu versorgen, hat Aral im Jahre 2000 die erste Wasserstofftankstelle beim Flughafen München in Betrieb genommen.
Die Tankstelle ist vollautomatisch. Der Benutzer muss per Touchscreen Menge und Art des Wasserstoffs auswählen und mit Kreditkarte bezahlen.
Den Rest übernimmt ein Roboterarm, welcher den Standort der Tankklappe des Fahrzeugs eruiert. Anschliessend wird ein wenig Helium in die Verbindungsschleuse zwischen Tankdüse und Einfüllstutzen gefüllt, so dass die Restluft aus der Verbindungsschleuse gespült wird. Nun wird der Wasserstoff in knapp zwei Minuten in den Tank eingefüllt.
An der Wasserstofftankstelle kann Flüssigwasserstoff (LH2) wie auch gasförmiger Wasserstoff für Drucktanks getankt werden. Der gasförmige Wasserstoff wird durch Elektrolyse in einer Hochleistungsanlage direkt bei der Tankstelle produziert und anschliessend verdichtet. Somit ist der gasförmige Wasserstoff sofort für den Kunden an Ort und Stelle bereit.
Der Flüssigwasserstoff jedoch muss zur Tankstelle nach München transportiert werden. Er wird in der einzigen Flüssigwasserstoffanlage in Deutschland durch die Linde AG produziert und mit Lastwagen zur Tankstelle transportiert.
In der Schweiz existiert weder eine Wasserstofftankstelle noch eine Produktionsstätte für LH2. Aral, der Pionier in Sachen Wasserstofftankstellen, ist seit 1998 in der Schweiz nicht mehr vertreten. Es ist deshalb offen, welches Unternehmen dereinst Wasserstoff an Tankstellen in der Schweiz anbieten wird.
In der Schweiz existierten Ende 2002 genau 3470 Tankstellen.
Unter der Annahme, dass nur 10%, also rund 350 dieser Tankstellen auf Wasserstoffverkauf wechseln würden, hätte dies bei den heutigen Produktionskosten solcher neuartiger Tankstellen enorme Kosten zur Folge. Die Tankstelle in München hat über 17 Millionen Euro gekostet. Würde jede dieser 350 auf Wasserstoff umgerüsteten Tankstellen in der Schweiz gleichviel wie der Prototyp in Deutschland kosten, so wären das (350 ∙17'000'000 Euro) 5.95 Milliarden Euro, was über
9 Milliarden Franken entspricht! Die Kosten würden jedoch nicht so hoch ausfallen, da die Robotik und die verschiedenen Teile der Tankstelle serienmässig hergestellt würden und somit billiger wären als diese vom Prototyp am Flughafen in München (Economy of Scale).
Laut dem Architekten Christoph Schiess, welcher für den Bau der Shell -Tankstellen in der Schweiz verantwortlich ist, kostet heutzutage der Bau einer neuen, bemannten Tankstelle mit Shop durchschnittlich 1.3 Millionen Franken, während eine unbemannte Tankstelle ungefähr auf 700'000 Franken zu stehen kommt.
Angenommen, alle unsere 350 Tankstellen wären unbemannt, so würde das 245 Millionen Franken kosten. Wären alle Tankstellen bemannt und mit Shop ausgerüstet, so würden sich die Baukosten für die 350 Tankstellen auf 455 Millionen Franken belaufen. Es stellt sich nun die Frage, ob es in kurzer Zeit möglich sein wird, die Baukosten der Wasserstofftankstellen auf das Niveau herkömmlicher Benzintankstellen zu senken, um im Bezug auf die Investitionen vergleichbar zu sein. Wären die Tankstellenketten bereit, für einen sauberen Brennstoff mehr für ihre Tankstellen zu investieren? Solange die Nachfrage an Benzin so gross ist, wohl kaum. Dazu sind die
meisten Tankstellenbetreiber in der Schweiz vertraglich an
die Erdölvereinigung gebunden und diese möchte natürlich
ihre Brenn- und Treibstoffe verkaufen. Solange niemand in
die Wasserstoffwirtschaft investieren will, wird die Nachfrage
nach Wasserstoffverbrennungsmotoren oder Brennstoff-
zellenautos sehr klein bleiben.
Wäre das Problem des Tankstellennetzes gelöst, so müsste auch die Logistik und Produktion von Wasserstoff geregelt sein. Könnte aber die Industrie den hohen Wasserstoffbedarf decken? Wäre unsere Wirtschaft für einen höheren Wasserstoffverbrauch gewappnet? Die Schweiz besitzt zurzeit noch keine Flüssigwasserstoffanlage. Deutschland besitzt nur eine Flüssigwasserstoffanlage, welche bei nationaler Einführung der neuen Autos niemals den Bedarf an Wasserstoff befriedigen könnte. Der flüssige Brennstoff müsste mit Lastwagen importiert werden, was wiederum die Umwelt belasten würde.
Das Problem der umweltfreundlichen Fahrzeuge liegt also nicht nur bei der Autoindustrie und den Tankstellenbetreibern, sondern auch bei den Herstellern von Wasserstoff.
In der folgenden Tabelle werden die Modelle 750iL (Benzinmotor) und 750hL (Wasserstoffmotor) von BMW verglichen.
Automodell
Tankgrösse (in L)
Verbrauch in Liter / 100km
Kosten 1L
Kosten / 100km
BMW 750iL
95
15.8
Benzin: Fr. 1.30
Fr. 20.54
BMW 750hL
190
33
LH2 Fr.
0.85
Fr. 28.05
Durch den höheren Verbrauch des 750hL auf hundert Kilometer ist dieser umweltfreundliche BMW zumindest für Privatkunden vorerst uninteressant. Der Preis eines Liters kryogenen Wasserstoffs wurde mir von Aral mitgeteilt. Der an Tankstellen zukünftig angebotene Wasserstoff wird teurer sein, da Aral den Brennstoff zurzeit (noch) nicht Gewinn orientiert verkauft und die Kosten für die Logistik- und Lagerungskosten des Wasserstoffs somit noch nicht berücksichtigt werden.
Wenn der Wasserstoffverbrauch dieser Fahrzeuge gesenkt werden kann und Wasserstoff durch die Tankstellenbetreiber nicht massiv teurer verkauft wird, so sehe ich eine gute Konkurrenzfähigkeit für Fahrzeuge, die Wasserstoff als Treibstoff verwenden. Durch die teure Infrastruktur, die für die Wasserstoffwirtschaft aufgebaut und somit auch amortisiert werden muss, besteht die Gefahr, dass der Wasserstoff teurer als Benzin und Diesel wird. In diesem Falle müsste die Regierung die Steuern auf die herkömmlichen Treibstoffe erhöhen, damit Wasserstoff für jedermann interessant wird.
Praktischer Teil: Bestimmung des Wirkungsgrades einer PEM Brennstoffzelle
Das Ziel des praktischen Teils der Arbeit ist die Bestimmung der Maximalleistung (Arbeitspunkt der Brennstoffzelle) und des Wirkungsgrades einer Brennstoffzelle (Modell für Schülerversuche). Die Versuche wurden mit einer vom Paul Scherrer Institut zur Verfügung gestellten Brennstoffzelle mit Polymermembran (PEMFC) durchgeführt.
Versuchsanordnung
Die obere Öffnung auf der linken Seite der PEM Brennstoffzelle wurde mit einem Schlauch mit der Wasserstoffdruckgasflasche verbunden.
Die untere Öffnung wurde ebenfalls mit einem Schlauch verbunden, der wie in der folgenden Skizze (Abb. 9) gezeichnet, in den umgekehrten, in Wasser eintauchenden Messzylinder führt. Bei der oberen, rechten Öffnung wurde stetig Sauerstoff eingelassen. Der unverbrauchte Sauerstoff und das durch die Reaktion entstandene Wasser wurden durch einen Schlauch von der unteren, linken Öffnung in ein grosses, mit Wasser gefülltes Becherglas abgeführt. Das Becherglas diente als Kontrolle, um zu überprüfen, ob immer die richtige Menge Sauerstoff durch die PEMFC gelang.
Dank der Tatsache, dass auf beiden Seiten der oberen Öffnungen die Druckgasflaschen direkt an die PEMFC angeschlossen wurden, war es möglich einen Über- bzw.
Unterdruck im Messzylinder zu erreichen. Der Messzylinder diente als Wasserstoffreservoir, damit der genaue Verbrauch der Brennstoffzelle bestimmt werden konnte.
Stromstärke-Spannungsdiagramm
Mein erstes Ziel war die Erstellung eines Stromstärke- Spannungs-diagramms der Brennstoffzelle, indem die Spannung mit einem Voltmeter gemäss Schaltplan (Abb. 10) über insgesamt 34 verschiedenen Lastwiderständen zwischen 0.01 Ω und 270 Ω gemessen wurde. Ich achtete darauf, dass die Widerstände unmittelbar bei den Anschlussbuchsen der Brennstoffzelle angeschlossen werden konnten, damit ein möglichst kleiner unerwünschter Widerstand durch die langen Messkabel und die Anschlussbuchsen entstehen konnte.
Die Widerstände (R) und die dazugehörigen Spannungen (U) wurden in einer Tabelle festgehalten.
Nun wurde jeweils die Stromstärke (I) gemäss der Formel I = U : R ausgerechnet.
Es war nun möglich, ein Diagramm (Abb. 11) zu erstellen mit der Stromstärke als X-Wert auf und der Spannung als Y-Wert. Die Skalierung der Abszisse wurde logarithmisch gewählt.
Abb.
11: Je grösser die Stromstärke, desto geringer die Spannung.
Die erhaltene Kurve ähnelt ab ihrem zweiten Drittel der auf der nächsten Seite abgebildeten theoretischen Kurve (Abb.13). Die Kurve ist nahezu linear und ist dann monoton fallend.
Die Brennstoffzelle erreicht theoretisch eine Leerlaufspannung (bei I=0) von 1.23V.
Die Zelle, mit der die Experimente durchgeführt wurden, erreichte eine Leerlaufspannung von knapp 1V.
Aus praktischen Gründen war es nicht möglich, noch kleinere Ströme zu messen. Hätte man noch grössere Spannungen bei Last (und somit kleinere Stromstärken) erhalten, so hätte man im ersten Drittel der Kurve das monotone Abfallen der Kurve wie in der Literatur erhalten.
Stromstärke-Leistungsdiagramm
Um zu entscheiden, bei welchem Widerstand die Brennstoffzelle die beste Leistung aufweist, wurde ein Diagramm erstellt, bei welchem die Stromstärke auf der Abszisse, die elektrische Leistung (P=U∙I) auf der Ordinate, aufgetragen wurden.
Auch diese Kurve entspricht vom Aussehen her ziemlich der Kurve der Literatur (vgl. Abb.
13). Hätte ich mit noch kleineren Widerständen (bis 1 mΩ) präzise die Spannung bestimmen können, so könnte man das starke Fallen der Kurve noch deutlicher sehen.
Abb. 12: Die Leistungskurve steigt annähernd linear an und fällt bei einem bestimmten Punkt wie die theoretische Kurve ab.
Mit dem eingesetzten Widerstand von 0.33Ω (Punkt mit grösstem Y-Wert) war rein rechnerisch die elektrische Leistung am besten, so dass man davon ausgehen kann, dass die wirkliche Optimalleistung zwischen den beiden von 0.
33Ω benachbarten Widerständen 0.22Ω und 0.47Ω liegen muss (im Bereich der roten Markierung in der Abbildung 12). In diesem Bereich liegt der Arbeitspunkt der Brennstoffzelle.
Der anfänglich lineare Anstieg der Kurve weist darauf hin, dass die Leistung bei kleineren Strömen exponentiell ansteigt (die Skalierung wurde auch hier bei beiden Achsen logarithmisch gewählt).
Messung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle
Um den Wirkungsgrad der PEM Brennstoffzelle zu bestimmen, ging ich folgendermassen vor:
Der Messzylinder wurde bis knapp unter die erste Markierung mit Wasserstoff aufgefüllt (in Abb.
9 ist es die zweite Markierung). Sobald der Wasserspiegel im Messzylinder durch den Verbrauch der Zelle auf die erste Markierung zurückgestiegen war, wurde die Zeit gemessen, bis 20 ml des Brennstoffs verbraucht waren. Je nach eingespanntem Widerstand, der gemäss Abbildung 10 als Last der Brennstoffzelle diente, wurde schneller oder langsamer der Wasserstoff verbraucht. Je grösser der Widerstand, desto weniger der Wasserstoffverbrauch über eine bestimmte Zeitspanne. Bei Kurzschluss der Brennstoffzelle war demzufolge der Verbrauch maximal.
Die Zeit, die die Brennstoffzelle zum Verbrennen des Wasserstoffs mit einem bestimmten Widerstand brauchte, wurde pro eingesetzten Widerstand dreimal gemessen.
Anschliessend wurden die drei Zeitwerte gemittelt. Gemäss folgender Formel konnte nun der Energieoutput bestimmt werden:
, ,
Um den Wirkungsgrad auszurechen, musste nun der Energieinput bei allen verwendeten Widerständen berechnet werden. Dazu mussten die Grössen der idealen Gasgleichung auf die am Messtag herrschenden Druck- und Temperaturverhältnissen angepasst werden:
1 mol H2 entsprach am Messtag gemäss der idealen Gasgleichung bei einer Temperatur von 297 Kelvin und einem Druck von 954 hPa einem Volumen von 25.88 L:
daraus folgt:
, , ,
Bei handelt es sich um die universelle Gaskonstante: .
Mit dem spezifischen Heizwert des Wasserstoffs aus der Literatur (12∙10 7J / Kg) ist es nun möglich, die Energie von 1 cm3 H2 zu bestimmen. Bei den vorher erwähnten Bedingungen enthält 1 cm3 H2 eine Energie von 9.
27 Joule.
Nun wurden die Anzahl verbrauchter cm3 (in dieser Messung jeweils 20 cm3) mit 9.27 Joule multipliziert, um die zugeführte Energiemenge (Energieinput) zu bestimmen.
Der Wirkungsgrad in Prozent ist:
Mit dem 0.47Ω-Widerstand wies die Brennstoffzelle mit rund 40% den besten Wirkungsgrad von auf:
Widerstand
(Ω)
Spannung (V)
Stromstärke
(A)
Zeit (sec)
Volumen (cm3)
Input
(J)
Output (J)
Wirkungsgrad (η)
Leistung (W)
0,22
0,357
1,623
84
20
185,4
48,671
26,252
0,579
0,22
0,203
0,923
112
20
185,4
20,985
11,319
0,187
0,33
0,359
1,088
127
20
185,4
49,605
26,756
0,391
0,33
0,347
1,052
135
20
185,4
49,281
26,581
0,365
0,47
0,422
0,898
144
20
185,4
54,57
29,434
0,379
0,47
0,475
1,011
155
20
185,4
74,435
40,148
0,48
Den optimalen Wirkungsgrad besitzt eine Brennstoffzelle nicht zwingend bei ihrer besten Leistung. In obiger Tabelle ist ersichtlich, dass die Brennstoffzelle bei eingesetztem 0.
22 Ω
Widerstand eine bessere Leistung aufweist, jedoch der Wirkungsgrad tiefer liegt als bei der Messung mit einem Widerstand von 0.47 Ω.
Brennstoffzellen mit Polymermembran weisen einen theoretischen Wirkungsgrad zwischen 50-60% auf. In der praktischen Anwendung besitzt dieser Brennstoffzellentyp normalerweise einen Wirkungsgrad von 40%.
Fehlerquellen für die Abweichung von den Literaturwerten
Persönlich bin ich über die guten Ergebnisse meiner Messungen erstaunt, da die Abweichungen zu den Literaturwerten nicht gravierend gross sind.
Dass die Werte trotzdem von der Literatur leicht abweichen, kann verschiedene Gründe haben:
Die verwendeten Widerstände könnten laut Hersteller 10% vom angegebenen Widerstandswert abweichen.
Ein 1Ω Widerstand beispielsweise kann also einen eigentlichen Widerstand zwischen 0.9 Ω und 0.11 Ω haben.
Die Messleitungen zwischen Voltmeter und Widerstand und die internen Verbindungen der Brennstoffzelle besitzen natürlich auch einen Widerstand, so dass auch hier eine Verfälschung der wahren Spannung bestehen könnte.
Wurden die Klemmen der Messleitung unmittelbar neben den Widerstand angebracht, so war der Widerstandswert kleiner, als wenn die Klemmen weiter vom Widerstand entfernt platziert wurden.
Die Spannung war vom Wasserstoffdruck im Messzylinder abhängig: Herrschte ein Überdruck (und lag der Wasserstoffspiegel im Zylinder somit unterhalb des umgebenden Wasserspiegels), so war die Spannung höher als bei Unterdruck.
So musste bei der Messung des Wirkungsgrades auch der Durchschnittswert der Spannungen unmittelbar vor und nach dem Verbrauch der 20 ml Wasserstoff ermittelt werden.
Die Versuche wurden auch mit Luftsauerstoff anstelle des reinen Sauerstoffs aus der Druckgasflasche durchgeführt. Das Ergebnis des Experiments mit Luftsauerstoff war, dass erhebliche Spannungsschwankungen einsetzten, so dass keine eindeutige Spannung über einem Widerstand bestimmt werden konnte und somit Leistung und Wirkungsgrad auf diese Weise nicht ermittelt werden konnte.
Diskussion und Aussichten
Die Beantwortung der meiner Maturaarbeit zugrunde liegenden Frage „Brennstoffzellen, bald eine ernstzunehmende Alternative für die Fahrzeugindustrie?“ versuchte ich durch Recherchierarbeiten in der Literatur und bei wissenschaftlichen Instituten, sowie Unterlagen aus der Automobilindustrie und der Energiewirtschaft zu beantworten. Aber auch die praktische Arbeit und deren Ergebnisse halfen mir eine möglichst praxisnahe Antwort zu finden.
Wenn die angesprochene Problematik der Wasserstofftankstellen und der Logistik des Wasserstoffs auf politischer Ebene rasch gelöst werden können, so wäre das ein wichtiger Schritt für eine Stärkung der Wasserstoffwirtschaft und in Richtung serienmässiger Produktion von Brennstoffzellenautos.
Forschungen im Bereich der Brennstoffzellen müssen unbedingt vorangetrieben werden, so dass auch die Werkstoffe der Brennstoffzellen preisgünstiger werden und schlussendlich das Brennstoffzellenauto marktfähig wird und einen Konkurrenten zu Benzin- und Dieselfahrzeuge darstellt. Dabei muss auch berücksichtigt werden, dass der angebotene Wasserstoff an den Tankstellen höchstens marginal teurer als Benzin oder Diesel zu stehen kommt.
Sobald Fahrzeuge mit Brennstoffzellen und Wasserstoffverbrennungsmotoren auf unseren Strassen rollen, müsste man meiner Meinung nach die Steuern für solche Fahrzeuge massiv senken, um gegenüber herkömmlichen Diesel- und Benzinfahrzeugen die umweltfreund-
lichen Fahrzeuge attraktiver zu machen und zu fördern.
Das Experiment des praktischen Teils dieser Arbeit hat gezeigt, dass der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle im Vergleich zu einem herkömmlichen Antrieb viel höher ist. Ein Benzinmotor weist einen Wirkungsgrad von 20-30% auf, während eine Brennstoffzelle theoretisch einen Wirkungsgrad bis zu 60% erzielen kann (heutzutage haben sie meist einen Wirkungsgrad um 40%). Der Elektromotor, der die mit den Brennstoffzellenstacks produzierte Energie verbraucht, hat einen Wirkungsgrad von 95% und Autogetriebe haben normalerweise einen Wirkungsgrad von 98%.
Auch die Tatsache, dass die deutschen Konzerne MTU und RWE am 15. Juli 2003 ein gemeinsames Unternehmen namens MTU CFC Solutions GmbH gegründet haben, macht Hoffnung auf erschwingliche und leitungsfähige Brennstoffzellen in absehbarerer Zukunft. MTU ist das Unternehmen, welches die Brennstoffzellen für Daimler Chrysler entwickelt und RWE ist einer der grössten Energieversorger Deutschlands. Zusammen wollen die beiden Unternehmen eine führende Marktposition bezüglich Hochtemperaturbrennstoffzellen erzielen und private Haushalte mit diesem Brennstoffzellentyp versorgen.
Es ist mir nun möglich, die in meiner Maturaarbeit aufgeworfene Frage zu beantworten. Die Brennstoffzelle wird in naher Zukunft ganz sicher eine wichtige Rolle spielen.
Ob sie im Strassenverkehr in absehbarer Zeit breiten Einsatz findet, ist fraglich. Meiner Meinung nach wird sie in frühestens rund fünfzehn Jahren die Strassen in den Industrieländern erobert haben. Erst wenn die Infrastruktur für eine Wasserstoffwirtschaft aufgebaut ist und die Regierungen eine wirklich umweltfreundliche Politik verfolgen, ist der Weg für die Brennstoffzelle auf öffentlichen Strassen geschaffen. Zwei der wichtigsten Punkte sind die kostengünstigere Produktion von Brennstoffzellen und das Interesse der Bevölkerung am Wasserstoff. Dank den intensiven Forschungen, die in der Schweiz und Deutschland gemacht werden, gehören die beiden Länder weltweit zu den führenden Nationen in Sachen Brennstoffzellen. So werden die Europäer die ersten sein, die in den Fahrböden ihrer Autos leistungsstarke Brennstoffzellenstacks anstelle von Benzin- und Dieseltanks montiert haben, wie das auch Jürgen Hubbert, Konzernleiter von Daimler Chrysler, in einem kürzlichen Interview mit den folgenden Worten bekräftigte: „Ich selbst hatte gehofft, dass die Brennstoffzelle schneller zum Einsatz kommt (…) Aber es bleibt dabei: Die Brennstoffzelle ist ein Garant für die Mobilität in diesem Jahrhundert.
“
Danksagung
Zuerst danke ich ganz herzlich meinem Physiklehrer Herr Rudolf Stucki und meinem Chemielehrer Herr Martin Zysset, die mich mit Tipps und Tricks im praktischen Teil meiner Maturaarbeit unterstützten. Einen sehr herzlichen Dank auch an Herr Dr. Felix Büchi vom Paul Scherrer Institut in Villigen, der mich durch das Forschungslabor des Instituts führte und mir eine Brennstoffzelle für meine Messungen zur Verfügung stellte.
Einen herzlichen Dank gebührt auch Herrn Dr. Andreas Züttel der Universität Fribourg, der mir Informationen zur Speicherung von Wasserstoff zustellte.
Für sämtliche Statistiken und Zahlen danke ich des Weiteren der Erdölvereinigung Schweiz, Schiess + Partner Architektur und den Bundesämter für Energie und Statistik.
Ich danke ganz herzlich den Fahrzeugherstellern BMW, Honda, Toyota und Daimler Chrysler für Ihre Bemühungen und für die mir zugestellten Informationen. Für die freundliche Unterstützung danke ich auch der deutschen Aral-Forschung, dem Wasserstoff-Kompetenzzentrum in Berlin und PanGas Schweiz.
Schliern, 10. August 2003
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6) Zitat aus Rudolf Weber: „Der sauberste Brennstoff“, 2., erweiterte Auflage, Olynthus, Oberbözberg, 1991: S.5
7) Nature, „Hydrogen – storage materials for mobile applications“, Volume 414, November 2001, Macmillan
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8) Zitat aus https://mitglied.lycos.de/Autoelektrik/Ej.htm, 03.08.
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21) Erdölvereinigung: Erdölinformation 2002 , S. 6
22) Wert entnommen aus: Formeln und Tafeln, 9. Auflage 2001, orell füssli: S.
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23) Wert entnommen aus: Formeln und Tafeln, 9. Auflage 2001, orell füssli: S.175
24) https://people.web.psi.ch/lienin/article_NZZ.
htm, 28.07.2003
25) mot, „Interview zu Modellpolitik und Technikstrategie von Mercedes Benz“, Ausgabe 17+18/2003: S.98-100
Bildnachweis
Abb. 1: https://www.diebrennstoffzelle.
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Abb. 2: https://www.solarserver.
de/lexikon/brennstoffzelle.html, 06.07.2003
Abb. 3: PowerPac Dokumentation, von www.PowerPac.
ch , 3.6.2003, S. 11
Abb. 4: https://www.daimlerchrysler.
com/specials/fuelcell2002/pics/300_fcell.jpg, 1.07.03
Abb. 5: Dokumentation „Abgasfreies Pistenfahrzeug“ , Swiss Alps 3000, 2003: S.,6
Abb.
6: https://www.diebrennstoffzelle.de/wasserstoff/speicherung.shtml, 3.07.03
Abb.
7: https://paddy.ajb.ch/welcome.htm, 14.07.03
Abb.
8: https://www.diebrennstoffzelle.de/h2projekte/fahrzeuge/images/tankstelle2.jpg, 14.07.03
Abb.
13: PowerPac Dokumentation, von www.PowerPac.ch , 3.6.2003, S. 9
Die Bilder der Titelseite stammen von folgender Webseite: https://www.
diebrenstoffzelle.de, 04.07.2003
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