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Die Brennstoffzelle: Ist sie bereit? |
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Die Brennstoffzelle: Ist sie bereit? Batterieexperten sind sich einig, dass der Akku, wie wir ihn heute kennen, auch in absehbarer Zeit ein schwaches Glied bleiben wird. In Anbetracht der relativ kurzen Lebenspanne ist der Akku auch der teuerste und der am wenigsten zuverlässige Komponent eines portablen Gerätes. Eine neue und innovative Methode wird nötig sein, um den ständig zunehmenden Durst für mobile Energie zu stillen. Der ideale Akku, der einen unerschöpflichen Vorrat an Energie, möglichst klein verpackt, zur Verfügung stellen könnte, ist immer noch weit weg von der Realität. Ob dieser Wunder-Akku auf dem klassischen elektro-chemischen Konzept, der sich entwickelnden Brennstoffzelle oder einem anderen bahnbrechenden Konzept basieren wird, bleibt eine Vermutung. In diesen Artikel konzentrieren wir uns auf die aufkommende Brennstoffzelle und untersuchen ihre Eignung in stationären, mobilen und portablen Anwendungen. Zuerst aber machen wir einige Kostenvergleiche der vorhandenen Kraftquellen. Das PEM-System
Die Grenzen des PEM-Systems sind die hohen Herstellungskosten und das komplizierte Wassermanagement. Der Kern enthält Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser. Wenn er trocken ist, wird der Innenwiderstand groß und Wasser muss hinzugefügt werden, um das Systemgehen zu erhalten. Zu viel Wasser jedoch würde das System fluten. Die PEM-Brennstoffzelle hat einen eingeschränkten Temperaturbereich. Einfrierendes Wasser kann den Kern beschädigen. Heizelemente sind erforderlich, um die Zelle innerhalb einer gewissen Temperaturspanne zu halten. Die Vorwärmzeit dauert lange und die Leistung im kalten Zustand ist schlecht. Auch große Temperaturen können dem System gefährlich werden. Die PEM-Brennstoffzelle benötigt etliche Zusatzgeräte. Kompressoren, Pumpen und andere Apparate verbrauchen 30 Prozent der erzeugten Energie. Die PEM-Brennstoffzelle hat eine geschätzte Nutzungsdauer von 4000 Stunden, wenn sie in einem Fahrzeug installiert ist. Die verhältnismäßig kurze Lebenspanne wird durch den Aussetzbetrieb verursacht. Starten und stoppen verursachen ein Trocknen und Fluten, die den Membranendruck verursachen. Wenn das Aggregat kontinuierlich genutzt würde, wäre eine Standzeit von 40.000 Stunden gut möglich. Das Ersetzen des Kerns verursacht die Hauptkosten. Die PEM-Brennstoffzelle benötigt reinen Wasserstoff. Die Toleranz für Verschmutzungen wie Schwefel oder Kohlenmonoxid ist sehr klein. Kohlenmonoxid kann das System beschädigen. Die Membrane zersetzt sich, wenn verschiedene Brennstoffe benutzt werden. Das Prüfen und Reparieren einer Zelle erweisen sich als schwierig. Die Schwierigkeiten werden beim Instandhalten einer Brennstoffzelle offensichtlich, wenn man beachtet, dass eine typische 150V, 50 kW Einheit ungefähr 250 Zellen enthält. Die PEM-Brennstoffzelle ist ein völlig automatisiertes Energiesystem, das Wasserstoff und Sauerstoff, welcher der Umgebungsluft entnommen wird, direkt in Gleichstrom umwandelt. Wasser ist das einzige Nebenprodukt dieser Reaktion. Dieser Brennstoffzellen-Generator, der mit niedrigem Druck funktioniert, liefert zuverlässige, saubere, stabile und leistungsfähige Energie. Er ist klein genug, um dorthin getragen zu werden, wo Energie erforderlich ist. Ein bedeutender Vorteil des SOFC ist die freiere Wahl des Brennstoffes. Wegen der hohen Betriebstemperatur wird der Wasserstoff durch einen katalytischen Reformer-Prozess produziert. Dadurch kann auf externe Reformer verzichtet werden um den Wasserstoff aufzubereiten. Kohlenmonoxid, eine Verunreinigung in den PEM-Systemen, ist der Kraftstoff für das SOFC. Zusätzlich bietet das SOFC-System ein Wirkungsgrad von 60 Prozent, einer der höchsten unter den Brennstoffzellen. Die alkalische Brennstoffzelle „Alkaline Fuel Cell (AFC)“ bekam erneute Aufmerksamkeit wegen den tiefen Betriebskosten. Obwohl grösser als das PEM-System hat die alkalische Brennstoffzelle das Potential zu tieferen Herstellungs- und Betriebskosten. Das Wasser-Management ist einfacher, gewöhnlich wird kein Kompressor gebraucht und die Materiale sind günstiger. Während die Trenneinrichtung der PEM-Zelle zwischen $800 und $1,100 pro Quadratmeter kostet, ist das Äquivalent für das alkalische System fast vernachlässigbar. (Im Vergleich: Die Trenneinrichtung einer Bleisäure Batterie kostet $5 pro Quadratmeter.) Betriebskosten von $100 bis $200 sind realisierbar. Start und Stop (fluten und trocknen) ist akzeptabler als bei den meisten anderen Systemen. Leider braucht die ALFC reinen Sauerstoff und Wasserstoff um zu funktionieren. Die Menge von Kohlendioxid in der Luft kann die alkalische Brennstoffzelle vergiften. Es sollte aber dennoch gesagt werden, dass Kohlendioxid leichter zu entfernen ist als Kohlenmonoxid, ein Mangel des PEM-Systems. Anwendungen Die Brennstoffzelle wird als Ersatz für den normalen Verbrennungsmotor von Autos, Lastwagen und Bussen betrachtet. Grosse Autohersteller arbeiten zusammen mit Brennstoffzellen-Forschungszentren oder forschen alleine. Es existieren Pläne für die Massenproduktion von Autos, die mit Brennstoffzellen angetrieben werden. Wegen der niedrigen Betriebskosten des Verbrennungsmotors und einiger ungelösten technischen Probleme der Brennstoffzelle sagen Experten, dass eine Lancierung der brennstoffzellenangetriebenen Autos nicht vor 2015 eintritt, wenn nicht sogar erst im Jahre 2020. Große Kraftwerke im Bereich von 40'000 kW werden wahrscheinlich schneller sein als die Autoindustrie. Solche Systeme könnten auch die entferntesten Standorte innerhalb der nächsten zehn Jahre mit Elektrizität versorgen. Viele dieser Regionen haben einen Überfluss an fossilen Brennstoffen, welche gebraucht werden könnten. Die Zellen dieser großen Energiewerke würden länger halten als die mobilen Anwendungen, da sie nicht den Erschütterungen und großen Temperaturunterschieden ausgesetzt wären. Energieversorgungen zu Hause werden auch geprüft. Solch ein Element würde im Keller oder außerhalb des Hauses platziert, ähnlich einer Klimaanlage eines typischen Mittelklasse-Hauses in Nordamerika. Der Brennstoff würde Erdgas oder Propan sein, eine Ware, die in vielen ländlichen Gebieten erhältlich ist. Die Brennstoffzelle könnte bald mit Akkus für die portable Anwendung, wie sie in Laptops und mobilen Telefonen vorkommen, konkurrieren. Dennoch, aktuelle Technologien haben Grenzen, was die Kosten und das Größenkriterium für kleine portable Geräte anbelangt. Zusätzlich sind die Kosten pro Wattstunde für Kleinsysteme erheblich höher als für große Anlagen. Lassen Sie uns die entstehenden Kosten, um ein Kilowatt (kW) Energie zu produzieren, noch einmal überprüfen. In Bild 3 erfuhren wir, dass die Investition, um 1kW Energie einer wiederaufladbaren Batterie zu produzieren, ungefähr $ 7000US beträgt. Diese Rechnung basiert auf 7.2V; 1000mAh NiCd Bündel, die je $50 kosten. Die hohen Kosten für portable Energieträger öffnen der Brennstoffzelle viele Möglichkeiten. Bei einer Investition von $3,000 bis $7,000 um ein Kilowatt Energie herzustellen ist die Energie aus Brennstoffzellen aber immer noch nur wenig billiger als diejenige aus konventionellen Akkus. Direct Methanol (DMFC), die Brennstoffzelle, die für die portable Anwendung vorgesehen ist, wird den Akku nicht notwendigerweise ersetzen, aber wird als Ladegerät, das separat gebraucht wird, dienen. Massproduzierte Brennstoffzellen, die der Form eines Akkus ähneln, werden erst in einigen Jahren möglich sein.
Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle Eine weniger bekannter Nachteil der Brennstoffzelle ist die eingeschränkte Belastungscharakteristik. Bei einer Last mit hohem Strom treten Massentransportbeschränkungen auf. Luft aus der Atmosphäre anstelle von reinem Sauerstoff unterstützen dieses Phänomen. Die Massentransportbeschränkung tritt ein, weil die Brennstoffzelle bei einem Lastfaktor von 30 Prozent am besten funktioniert. Höhere Last verringert die Leistungsfähigkeit beträchtlich. In Bezug auf die Lasteigenschaft verhält sich die Brennstoffzelle nicht wie ein NiCd-Akku oder wie ein Dieselmotor, welche mit einem Lastfaktor von 100% gut funktionieren. Die Brennstoffzelle wird die anderen chemischen Batterien nicht verdrängen — fordert sie aber. Ähnlich wie der Computer ohne Papier nicht auskommt, braucht die Brennstoffzelle Akkus als Puffer. Für viele Anwendungen wird eine Reihe von Akkmulatoren hohe Stromladungen liefern und die Brennstoffzelle wird dazu dienen, dass der Akku immer ganz aufgeladen bleibt. Für portable Anwendungen verbessert ein Superkondensator die Belastungs-Charakteristik und ermöglicht hohe Stromimpulse. Die meisten Brennstoffzellen werden immer noch handgefertigt und werden zu experimentellen Zwecken verwendet. Spezialisten sagen, dass die Kosten geringer werden, sobald die Zellen in großen Serien produziert werden und billigeres Herstellungsmaterial gefunden wird. Während ein Verbrennungsmotor eine Investition von $35 bis $50 verlangt, um ein Kilowatt (kW) Energie zu erzeugen, verursacht die Brennstoffzelle immer noch Kosten von $3,000 bis $7,500. Das Ziel ist es, eine Brennstoffzelle zu produzieren, die gleiche oder geringere Kosten verursacht als ein Dieselmotor. Zusammenfassung Die Brennstoffzelle wird Gebiete abdecken können, welche über die Reichweite des herkömmlichen Verbrennungsmotors herausreichen. Sobald die Herstellungskosten geringer werden, wird diese Energiequelle die Welt verändern und den Investoren dieser Technologie viel Erfolg einbringen. Es wird gesagt dass die Brennstoffzelle unsere Technologie so revolutionär verändern wird, wie es einst der Mikroprozessor getan hat. Sobald die Technologie etwas gereift ist, wird sich unsere Lebensqualität verbessern, auch die Umwelt wird viel weniger belastet werden, da man auf das Verbrennen von fossilen Brennstoffen verzichten kann. Leider ist aber auch bekannt, dass der Reifungsprozess dieser Zelle nicht so schnell verlaufen wird wie der der Mikroelektronik. Mit freundlicher Genehmigung von Isidor Buchmann (Cadex Electronics Inc.) |
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