Wasserstoff Brennstoffzelle

Die Bedeutung der Wasserstoff Brennstoffzelle wächst im Zuge der Energiewende stetig. Wasserstoff gilt als vielversprechender Energieträger, der zur Dekarbonisierung verschiedener Sektoren wie Mobilität, Industrie und Energie beitragen kann. Brennstoffzellen spielen hierbei eine zentrale Rolle, da sie Wasserstoff effizient in elektrische Energie umwandeln können. In diesem Blogbeitrag beleuchten wir die Funktionsweise von Brennstoffzellen, ihre Einsatzmöglichkeiten sowie die Herausforderungen und Chancen, die mit der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger verbunden sind.

Das AIT Austrian Institute of Technology leistet einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien. Mit einem breiten Angebot an Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen unterstützt das AIT die Industrie bei der Umsetzung innovativer Lösungen. Zu den Kernbereichen gehören:

1. Entwicklung und Validierung von Materialien, Komponenten und Systemen
   Das AIT bietet umfassende Expertise bei der Entwicklung und Validierung neuer Materialien, die speziell für den Einsatz in Wasserstofftechnologien und Brennstoffzellen geeignet sind. Innovative Komponenten und Systeme werden unter realitätsnahen Bedingungen getestet und optimiert.
2. Entwicklung von Elektrodenmaterialien
   Die Entwicklung leistungsstarker Elektrodenmaterialien ist ein zentraler Schwerpunkt. Ziel ist es, die Effizienz und Lebensdauer von Brennstoffzellen zu erhöhen und gleichzeitig die Materialkosten zu senken.
3. Entwicklung neuer Technologie-Konzepte
   Neben der Weiterentwicklung bestehender Technologien arbeitet das AIT an völlig neuen Konzepten, um die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger wirtschaftlicher und nachhaltiger zu gestalten. Dabei kommen modernste Simulations- und Modellierungsverfahren sowie hochentwickelte Prüftechnologien zum Einsatz.

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die chemische Energie eines Brennstoffs (in diesem Fall Wasserstoff) direkt in elektrische Energie umwandelt, ohne den Umweg über eine Verbrennung. Der Prozess in der Brennstoffzelle ist hocheffizient und führt zu einer emissionsfreien Energieerzeugung, da das einzige Nebenprodukt Wasser ist.

Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten:

1. Anode (negative Elektrode): Hier wird Wasserstoff zu Protonen und Elektronen gespalten. Der Wasserstoff reagiert an der Anode, wobei die Elektronen über einen externen Stromkreis abgeleitet werden und als Strom genutzt werden können. Die Reaktionsgleichung lautet: H2→2H++2e−H₂ → 2H⁺ + 2e⁻H2 →2H++2e−
2. Kathode (positive Elektrode): An der Kathode reagiert der zugeführte Sauerstoff mit den Protonen (H⁺), die durch eine Protonenaustauschmembran (PEM) zur Kathode wandern, und den Elektronen, die durch den externen Stromkreis fließen. Das Resultat ist die Bildung von Wasser: O2+4H++4e−→2H2OO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂OO2 +4H++4e−→2H2 O
3. Elektrolyt: Der Elektrolyt in einer Brennstoffzelle, häufig eine Protonenaustauschmembran, sorgt dafür, dass nur Protonen (H⁺) von der Anode zur Kathode gelangen, während die Elektronen über den äußeren Stromkreis fließen, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Wasserstoff und Brennstoffzellen bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen der Wirtschaft und des täglichen Lebens. Besonders hervorzuheben sind die folgenden Sektoren:

1. Mobilität

Brennstoffzellenfahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicles, FCEVs) stellen eine vielversprechende Alternative zu batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) dar, insbesondere für den Schwerlastverkehr, Busse, Züge und sogar Schiffe. Diese Fahrzeuge erzeugen die benötigte elektrische Energie durch die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle, wobei nur Wasser als Abfallprodukt anfällt. Ein großer Vorteil von Brennstoffzellenfahrzeugen ist die kurze Betankungszeit von wenigen Minuten und die hohe Reichweite, was sie besonders attraktiv für Langstreckenanwendungen macht.

2. Energiespeicherung

Wasserstoff kann als Speichermedium für überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen genutzt werden. Wenn Wind- und Solarkraftwerke mehr Energie produzieren als verbraucht wird, kann der Strom zur Elektrolyse von Wasser genutzt werden, um Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Wasserstoff kann später in Brennstoffzellen zurückverwandelt werden, um bei Bedarf Strom zu liefern. So trägt Wasserstoff zur Stabilisierung des Stromnetzes bei und ermöglicht die Langzeitspeicherung erneuerbarer Energie.

3. Industrie

In der Industrie wird Wasserstoff bereits in großem Umfang eingesetzt, z.B. in der chemischen Industrie zur Ammoniakproduktion oder in der Raffinerieindustrie. Der Umstieg auf grünen Wasserstoff in diesen Bereichen könnte erhebliche Mengen an CO₂-Emissionen reduzieren. Auch in der Stahlindustrie gewinnt Wasserstoff an Bedeutung, da er als Ersatz für Kohle in der Hochofentechnologie genutzt werden kann, um den Kohlenstoffausstoß zu minimieren.

Weltweit arbeiten Wissenschaftler und Unternehmen daran, die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie weiterzuentwickeln und wirtschaftlicher zu machen. Zu den wichtigsten Forschungsfeldern gehören:

1. Kostenreduktion: Durch die Weiterentwicklung von Katalysatoren und Materialien für Brennstoffzellen sowie die Skalierung der Produktion sollen die Kosten für Brennstoffzellenfahrzeuge und Wasserstoffinfrastrukturen gesenkt werden.
2. Effizienzsteigerung: Neue Designs und Materialien können dazu beitragen, die Effizienz von Brennstoffzellen weiter zu steigern. Auch die Verbesserung der Elektrolyseverfahren zur Wasserstofferzeugung ist ein zentrales Thema.
3. Speichertechnologien: Fortschritte in der Wasserstoffspeicherung sind notwendig, um die Energiedichte zu erhöhen und die Sicherheit bei der Handhabung zu gewährleisten. Hierbei spielen neue Materialien und Druckspeicher eine wichtige Rolle.

Wasserstoff und Brennstoffzellen gelten als zentrale Bausteine der Energiewende. In den kommenden Jahren wird erwartet, dass die Technologie eine immer größere Rolle in der Mobilität, der Industrie und der Energieversorgung spielen wird. Insbesondere im Schwerlastverkehr und in Bereichen, in denen batteriebetriebene Lösungen nicht praktikabel sind, wird die Brennstoffzelle ihren Platz finden.

Auch im Rahmen von Power-to-X-Technologien, bei denen Wasserstoff zur Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen oder als Speichermedium genutzt wird, bieten sich vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten. Mit den richtigen politischen Rahmenbedingungen, Investitionen in Forschung und Entwicklung sowie dem Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur wird sich die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie in vielen Sektoren durchsetzen.