Nachhaltige Mobilität dank Brennstoffzellen-Antrieb
Die Brennstoffzelle ist ein Tausendsassa, der aktuell in vielen verschiedenen Projekten weltweit die Anfänge einer Renaissance erlebt. In den USA beispielsweise entwickeln Bosch und Nikola Motor eine Lkw-Brennstoffzelle mit mehr als 1.000 PS Leistung und 1.600 Kilometern Reichweite. Auch die Lastwagenbauer von Daimler und Volvo verkündeten kürzlich eine Zusammenarbeit bei der Entwicklung von Brennstoffzellen-Antrieben. Hyundai hat mit seinem Nexo-Modell im PKW-Bereich einen erschwinglichen und leistungsfähigen Wasserstoff-SUV auf den Markt gebracht. Die Bushersteller wie Wrightbus, Van Hool und Solaris setzen inzwischen auf Wasserstoff. Erste Wasserstoffzüge fahren bereits im Nahverkehr. Für die Luftfahrt tüfteln Forscher der US-Weltraumbehörde NASA mit Wissenschaftlern der University of Illinois an wasserstoffbetriebenen Flugzeugen. Auf dem Wasser sollen Brennstoffzellen demnächst Kreuzfahrtschiffe, Fähren und Binnenfrachter antreiben. Und auch in der Landwirtschaft und der Energieversorgung könnte die Brennstoffzellen-Technologie früher oder später interessant werden.
Wichtige Märkte richten ihre technologischen Kompasse jedenfalls bereits darauf aus: China plant den Bau von vier Wasserstoffkorridoren und will seine staatlichen Subventionen von Elektroautos in die Entwicklung der Brennstoffzelle umschichten. Bis 2030 sollen eine Million Wasserstoffautos durch das Reich der Mitte fahren. Auch in Deutschland wurde Ende letzten Jahres erstmals eine nationale Wasserstoffstrategie verkündet, der neue strategische Wasserstoff-Partnerschaften in Europa und der Welt folgen sollen. Japan und Kalifornien treiben die Entwicklung der Brennstoffzelle ohnehin seit Jahren strategisch voran.
Ich glaube, dass sich sowohl die batteriegetriebene Elektromobilität wie auch die Brennstoffzellentechnologie durchsetzen werden.
Prof. Dr. Hubert Gasteiger, Leiter des Lehrstuhls für Technische Elektrochemie an der TU München.
Nach mehreren Jahrzehnten als Hidden Champion könnte der Brennstoffzelle bald jener Durchbruch gelingen, auf den ihre Verfechter seit ihrer Erfindung hoffen. Nach mehreren Entwicklungsstufen könnte der faszinierenden Idee, aus zwei Grundelementen unseres Planeten saubere, nachhaltige und effiziente Energie zu gewinnen, der Sprung aus der Nischenanwendung in die Massenmärkte gelingen.
Im urbanen Verkehr punkten zwar E-Autos mit geringen Kosten, hoher Energieeffizienz und einer zumindest anfänglich leicht aufzubauenden Ladeinfrastruktur. Auf längeren Strecken sowie auf der Schiene dagegen kann die Brennstoffzelle ihre Trümpfe ausspielen: hohe Reichweiten und kürzere Tankzeit. Somit haben sowohl die batteriegetriebene Elektromobilität wie auch die Brennstoffzellentechnologie ihre Daseinsberechtigung. Das findet zumindest Prof. Dr. Hubert Gasteiger vom Lehrstuhl für Technische Elektrochemie an der TU München.
Brennstoffzelle auch als Energiespeicher
Und noch ein Argument für die Brennstoffzelle zählt Gasteiger auf: Wenn Länder ihre Stromversorgung auf regenerative Energien umstellen, um ihre Klimaziele zu erreichen, werden Energiespeicher benötigt. Wären die Wasserstoff-Zwischenspeicher einmal aufgebaut, würde das wiederum den Ausbau der gesamten Infrastruktur erleichtern – und damit Autos, Bussen, Lkw und langfristig auch Schiffen und Flugzeugen den Weg ebnen.
Gleichzeitig stehen weiterhin enorme Herausforderungen an: In fast allen Märkten hinkt die Infrastruktur zur flächendeckenden Wasserstoffversorgung den ehrgeizigen Plänen hinterher. Noch immer liegen die Produktionskosten der Brennstoffzelle für viele Anwendungsbereiche zu hoch. Es bleibt jedoch noch eine weitere Hürde: Je mehr Brennstoffzellen gebaut und je leistungsfähiger sie werden, desto mehr wertvolles Platin wird gebraucht. Das Edelmetall findet sich als Katalysator in der Brennstoffzelle wieder. Durch jahrelange Verbesserung der Katalysatoren sank die benötigte Menge pro Zelle zwar kontinuierlich, aber irgendwann wird das Einsparpotenzial ausgeschöpft sein. „Daher ist man dazu übergegangen, die Stromdichte der Brennstoffzellen zu steigern“, sagt Gasteiger. Wichtiger denn je sind dabei die sogenannten Gasdiffusionsschichten aus Carbonfasern. Wie ein Puffer schmiegen sie sich in der Brennstoffzelle zwischen Bipolarplatte und Katalysator und erfüllen dabei viele wichtige Funktionen (siehe Video am Ende der Seite).
Die Geschichte der Brennstoffzelle
So lange die Stromdichte in der Zelle auf niedrigem Level verharrte, waren die Anforderungen an die Gasdiffusionsschichten überschaubar. Nun aber, mit höheren Leistungsanforderungen, steigen sie sprunghaft an. Die besonderen Eigenschaften der Carbonfasern leisten ihren Beitrag. Bei gutem Wetter funktioniere jedes Boot, erklärt Gasteiger. Sobald aber ein Gewitter aufziehe, sei man froh, in einem besseren Schiff zu sitzen. „In der Zelle sind die Anforderungen an die Materialien für hohe Strom- und Leistungsdichten wie ein Gewitter“, sagt Gasteiger. „Auch für die Gasdiffusionsschicht aus Carbon brechen deswegen spannende Zeiten an.“
Im bayerischen Meitingen leitet Dr. Tilo Hauke am Standort der SGL Carbon die Produktlinie Fuel Cell Components im Geschäftsbereich Graphite Solutions und verantwortet die Produktion der Gasdiffusionsschichten. Die Entwicklung der Brennstoffzelle beobachtet er seit Jahren. Wie Gasteiger glaubt auch Hauke, dass die Mobilität der Zukunft sowohl von Batterieantrieben als auch von Brennstoffzellen geprägt sein wird.
Vorteile von Carbonfaser-basierten Gasdiffusionsschichten
Hauke zählt die Vorteile von Carbonfaser-basierten Gasdiffusionsschichten auf. „Sie sind durchlässig für Gase, wasserabweisend, gut kompressierbar und leiten sowohl Wärme als auch Elektrizität.“ Alles Eigenschaften, auf die es bei Gasdiffusionsschichten ankommt. Denn in der Brennstoffzelle fließen Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen durch die Gasdiffusionsschicht hindurch. Dazu leitet sie das entstandene Wasser ab. Und sie schützt die Membranen-Katalysator-Schicht vor den Ecken und Kanten der Bipolarplatten an den Seiten der einzelnen Zellen.
Als die Brennstoffzelle Ende der 90er-Jahre ihre erste Hochphase erlebte, stieg auch die SGL Carbon in das Geschäft mit Gasdiffusionsschichten ein. „Heute verfügen wir über jede Menge Erfahrung, haben ausgereifte und effiziente Produktionsabläufe und ein weit verzweigtes Netzwerk zu allen wichtigen OEMs und Zulieferern“, sagt Hauke. Zuletzt bestätigte das der Ausbau der bisherigen Zusammenarbeit mit Hyundai, in der die SGL Carbon Gasdiffusionsschichten für das Brennstoffzellenfahrzeug Nexo liefert. Allein in den vergangenen zwei Jahren sei das Geschäft um mehr als 100 Prozent gewachsen, sagt Hauke. Die Produktion in Meitingen wird für weiteres Wachstum gerade modernisiert und erweitert.
Die Herstellung der Gasdiffusionsschichten in Bildern
Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie
Um die Technologie voranzutreiben und die Kosten von Brennstoffzellen zu senken, engagierte sich die SGL Carbon in den letzten Jahren auch im mittlerweile abgeschlossenen EU-geförderten Forschungsprojekt INSPIRE. „Das Ziel des INSPIRE-Projekts war es, einen möglichst langlebigen, günstigen und leistungsfähigen Stack zu bauen“, erklärt Dr. Rüdiger Schweiss, der die Beteiligung der SGL Carbon im Projekt koordiniert und auch für die Entwicklung der Gasdiffusionsschichten der SGL Carbon zuständig ist. Als Brennstoffzellenstacks werden Einheiten von mehreren Hundert hintereinandergeschalteten Einzelzellen bezeichnet, die im Verbund die für den Automobileinsatz nötigen Leistungswerte ermöglichen.
Am Ende der drei Entwicklungsjahre stand schließlich ein kompakter 150-Kilowatt-Stack mit einer Leistungsdichte von mehr als 1,3 Watt pro Quadratzentimeter Elektrodenfläche. „Was die flächenspezifische Leistung angeht, ist das ein neuer Rekord“, sagt Schweiss. Neben den technischen Aspekten sei im Projekt auch klar geworden, wie intensiv sich alle beteiligten Unternehmen mit der Brennstoffzelle beschäftigten, berichtet Schweiss. Er glaubt, dass die letzten Herausforderungen der Technologie in den kommenden Jahren gelöst werden und schon bald die Serienproduktion anspringt. Und er ergänzt: „Wir tun alles, um die Technologie mit nach vorn zu bringen.“
Überblick: Wie funktioniert die Brennstoffzelle?
- Wie das Video unten erklärt, benötigen Brennstoffzellen nur Wasserstoff und Sauerstoff, um elektrische Energie zu produzieren.
- Sie strömen über Bipolarplatten und Gasdiffusionsschichten separat ein.
- Die Membran lässt nur Protonen passieren und ist auf beiden Seiten mit Platin beschichtet. Es dient als Katalysator und initiiert die chemische Reaktion.
- An der Anode spalten sich die Wasserstoffmoleküle in Elektronen und Protonen auf. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode.
- Die Elektronen fließen über einen externen Leiter zur Kathode und können dadurch elektrische Arbeit verrichten.
- An der Kathode reagieren Sauerstoffmoleküle, Elektronen und Protonen zu Wasser, das durch die Gasdiffusionsschicht und die Kanäle der Bipolarplatten über den Zellausgang abfließt.
