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Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Dagmar Oertel

Zum Entwicklungsstand der Brennstoffzellen-Technologie

TAB-Arbeitsbericht Nr. 051. Berlin 1997, 114 Seiten

Zusammenfassung

Die Brennstoffzellen-Technologie weist eine attraktive Kombination von hoher Effizienz in der Brennstoffausnutzung und umweltfreundlicher Betriebsweise auf. Einige Brennstoffzellen-Systeme können in naher Zukunft eine greifbare und attraktive Alternative zur konventionellen Erzeugung elektrischer Energie und bei Fahrzeugantrieben darstellen. Die insbesondere in letzter Zeit intensivierten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an der Brennstoffzellen-Technologie liefern Ansatzpunkte für vorliegenden Sachstandsbericht. Dieser geht der Frage nach, inwieweit derzeit verfügbare Brennstoffzellen-Systeme aus technischer und ökonomischer Sicht für mobile und stationäre Anwendungen einsetzbar sind.

Warum Brennstoffzellen?

Das Prinzip der Brennstoffzelle ist seit dem 19. Jahrhundert bekannt und somit auch ihr Potential, höhere Wirkungsgrade als Dampfkraftwerke erreichen zu können. Schematisiert kann eine Brennstoffzelle als ein geschlossener Behälter beschrieben werden, dem Brennstoff, wie Wasser- und Sauerstoff, zugeführt wird und der elektrische Energie, Wärme und Wasser abgibt. In dem Behälter befinden sich zwei Elektroden sowie ein Elektrolyt, nach dem zumeist der Brennstoffzellen-Typ bezeichnet wird. Der Elektrolyt unterteilt die Zelle in Teilräume, so daß die elektrochemische Energieumwandlung in Teilreaktionen stattfindet und die bekannte "Knallgasreaktion" unterbleibt.

Vorteile der Brennstoffzelle liegen neben vergleichsweise hohen elektrischen Wirkungsgraden u.a. in lokaler Emissionsarmut bzw. -freiheit, hoher Flexibilität in der Betriebsweise, modularem Aufbau sowie Geräuscharmut. Trotz erheblicher wissenschaftlicher Fortschritte (z.B. Materialeinsatz) und deutlich veränderten energiepolitischen Rahmenbedingungen (z.B. Kohlendioxidproblematik) ist bisher keine Umsetzung in ein wettbewerbsfähiges Serienprodukt und somit kein großflächiger Einsatz von Brennstoffzellen erfolgt.

Welche Brennstoffzellen-Systeme sind interessant?

Von einer Reihe möglicher Brennstoffzellen-Typen, haben sich im wesentlichen fünf durchgesetzt. Das sind, nach ihrer Betriebstemperatur geordnet, die alkalische Brennstoffzelle (AFC, ca. 80°C), die Membran-Brennstoffzelle (PEMFC, ca. 80°C), die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC, ca. 200°C), die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC, ca. 650°C) und die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC, ca. 1.000°C). Daneben wird oft eine weitere, die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), genannt, welche als eine Variante der Membran-Brennstoffzelle angesehen werden kann.

Die genannten Brennstoffzellen-Systeme weisen einen sehr unterschiedlichen Entwicklungsstand auf. Die phosphorsaure Brennstoffzelle wurde als einziger Brennstoffzellen-Typ bisher in den zivilen Markt eingeführt. Die am längsten für spezielle Anwendungen technisch optimierte, jedoch extrem teure alkalische Brennstoffzelle wird zunehmend von der Membran-Brennstoffzelle verdrängt, welche in den letzten Jahren relativ marktnah entwickelt wurde; Direktmethanol-Brennstoffzellen stehen derzeit noch am Anfang ihrer Entwicklung. Auch Hochtemperatur-Brennstoffzellen befinden sich momentan noch weitestgehend im Entwicklungsstadium, wobei die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle aus historischen Gründen einen Entwicklungsvorsprung vor oxidkeramischen Brennstoffzellen aufweist. Insbesondere letztere bieten jedoch ein flexibles Einsatzpotential mit höchsten Wirkungsgraden.

Wozu sind Brennstoffzellen einsetzbar?

Einsatzgebiete von Brennstoffzellen sind primär die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung und der Verkehrsbereich, wobei sich folgende wesentliche Anwendungen herauskristallisieren: Die marktreife PAFC wird zur Kraft-Wärme-Kopplung, etwa in Blockheizkraftwerken zur dezentralen Energieversorgung von Gebäuden, eingesetzt und fungiert als sog. Marktöffner; die PEMFC ist insbesondere für die Fahrzeugtechnik in ihrer Entwicklung forciert worden, so daß verschiedene Prototypen für Busse und Pkw verfügbar sind; im Hochtemperaturbereich (MCFC, SOFC) laufen derzeit intensive Entwicklungsanstrengungen für Einsatzzwecke im Kraftwerksbereich; der jedoch vermutlich keinen Einstiegsmarkt für Brennstoffzellen darstellen wird.

Das jeweilige Einsatzpotential von Brennstoffzellen wird durch die Kostenfrage und das noch nicht ausgeschöpfte Optimierungspotential konventioneller Energieerzeugungstechniken bzw. Fahrzeugantriebe bestimmt. Darüber hinaus ist bei einer entsprechenden vergleichenden Gegenüberstellung, etwa von Treibhausgasemissionen, das gesamte Brennstoffzellen-System mit sämtlichen vorgelagerten Prozessen, wie der Brennstoffaufbereitung zur Erzeugung von Wasserstoff, zu berücksichtigen.

Wo steht die internationale Brennstoffzellen-Forschung?

International wird im wesentlichen in Nordamerika, Japan und Westeuropa an der Entwicklung der Brennstoffzellen-Technologie geforscht, wobei die Intensität dieser Forschungsarbeiten - primär bedingt durch verschiedene energie- und umweltpolitische Rahmenbedingungen - sehr unterschiedlich ausgeprägt ist. Japan ist außerordentlich bemüht, die Brennstoffzellen-Technologie so bald wie möglich, hauptsächlich zur Strom- und Wärmeerzeugung (PAFC, MCFC, SOFC), verfügbar zu haben. In Nordamerika hat es eine relativ kontinuierliche Entwicklung der Brennstoffzellen-Technologie gegeben, so daß jetzt versucht wird, den in einigen Bereichen gewonnenen Entwicklungsvorsprung zu halten und auszubauen (z.B. USA: Produktions-Know-how bei PAFC, eigenes Konzept bei SOFC; Kanada: PEMFC). In Westeuropa gab es eine weniger kontinuierliche Entwicklung. Die in den letzten Jahren festzustellende Renaissance in der Brennstoffzellen-Forschung ist insbesondere bei der PEMFC im Fahrzeugbereich sowie den Hochtemperatur-Brennstoffzellen (MCFC, SOFC) augenfällig, wobei hier oft Kooperationen mit nichteuropäischen Firmen festzustellen sind. Eine Gegenüberstellung von zur Entwicklung der Brennstoffzellen-Technologie eingesetzten öffentlichen Mitteln ergibt, daß diese in Deutschland, bezogen auf Einwohner bzw. Bruttoinlandsprodukt, im Vergleich zu den USA und Japan signifikant geringer ausfallen.

Wo liegen Entwicklungsfelder und Schlüsselprobleme der Brennstoffzellen-Technik?

Mit Bezug auf internationale Forschungsarbeiten hat die Brennstoffzellen-Technologie einen Entwicklungsstand erreicht, der für einige Brennstoffzellen-Typen eine breitere Einführung mittelfristig (etwa 2005 bis 2010) möglich erscheinen läßt. Die technische Reife der Brennstoffzellen selbst ist relativ weit fortgeschritten; verfahrenstechnisch problematisch sind hier eher periphere Anlagen, etwa zur Brennstoffaufbereitung und Steuerung, sowie die Optimierung des Gesamtsystems.

Ein wesentlicher Nachteil derzeit verfügbarer Brennstoffzellen-Systeme sind ihre, im Vergleich zu konventionellen Technologien zur Stromerzeugung bzw. zum Fahrzeugantrieb, hohen Herstellungskosten. Diese resultieren zum einen daraus, daß Brennstoffzellen zumeist noch in Einzelfertigung hergestellt werden, zum anderen daher, daß teure Materialien eingesetzt werden müssen (z.B. Platin bzw. Gold als Katalysatoren bei Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen). Für eine Kostenreduzierung muß auch weiterhin an den Brennstoffzellen selbst gearbeitet werden, werkstoffseitig etwa an verwendeten Katalysatoren und Membranzusammensetzungen bei Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen oder an temperatur- und korrosionsbeständigen Materialien bei Mittel- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Zusammen mit der Peripherie sind Systemvereinfachungen notwendig. Um mit den Kosten in Größenordnungen konventioneller Energieerzeugungsanlagen zu kommen, müßten diese derzeit um einen Faktor von bis zu zehn reduziert werden; bei Fahrzeugantrieben sind noch deutlich höhere Kostendegressionen erforderlich.

Ein wesentliches Charakteristikum von Brennstoffzellen-Systemen ist das begrenzte Spektrum einsetzbarer Brennstoffe, welches jedoch mit zunehmender Betriebstemperatur breiter wird. Im unteren Temperaturbereich ist beispielsweise die alkalische Brennstoffzelle nur mit reinstem Wasserstoff und Sauerstoff zu betreiben, was die teuerste Variante der Brennstoffversorgung darstellt. Für Membran-Brennstoffzellen ist bereits brennstoffzellenextern aus Methanol reformierter Wasserstoff mit Luft (PEMFC) bzw. Methanol direkt (DMFC) einsetzbar; der Einsatz von reformiertem Benzin wird diskutiert. Im Hochtemperaturbereich ist bei der Schmelzkarbonat- und bei der oxidkeramischen Brennstoffzelle (durch brennstoffzelleninterne Reformierung) der Einsatz verschiedener Gase, wie Erd- oder Kohlegas mit Luft, praktikabel, was etwa bei Erdgas einen Anschluß an bestehende Versorgungssysteme ermöglicht. Im Fahrzeugbereich werden grundlegend verschiedene Konzepte für die Brennstoffversorgung verfolgt: der Einsatz von Wasserstoff, von komprimiertem Erdgas oder von Flüssigbrennstoff (Methanol, Benzin), was jeweils verschiedene Versorgungsstrukturen bedingt. So müßte bei einer Wasserstoffversorgung eine völlig neue Infrastruktur geschaffen werden; dies ist einerseits teuer, andererseits sind beim Einsatz von Wasserstoff höhere Wirkungsgrade erreichbar als etwa mit Erdgas. Wasserstoff kann auch durch den Einsatz regenerativer Energien erzeugt werden. Bei einem Methanoleinsatz könnte wiederum das vorhandene Tankstellensystem genutzt werden.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß die Brennstoffzellen-Technologie eine hohe forschungs-, energie- und umweltpolitische Attraktivität besitzt, technisch jedoch noch nicht ausgereift und augenblicklich noch zu kostenintensiv ist. Zur Beurteilung eines zukünftigen breiten Einsatzpotentials der emissionsarmen Brennstoffzellen-Technologie besteht noch weiterer Untersuchungsbedarf.

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