Wasserstoff-Brennstoffzellen nutzen Wasserstoff als Brennstoff in einem elektrochemischen Prozess, der Wasserstoff und Sauerstoff verbindet, um elektrische Energie und Wasser zu erzeugen.
Der umgekehrte Prozess der Elektrolyse, bei dem „grüner“ Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser erzeugt werden, kann eine Reihe von erneuerbaren Energiequellen (Wind, Wellen, Sonne) nutzen, um Wasserstoff als Brennstoff für die erneuerbare Stromerzeugung zu produzieren. Es gibt auch ein wachsendes Interesse an Wasserstoff als einer einzigartig sauberen Energiequelle, die Wärme erzeugen kann und bei der nur Wasser als Nebenprodukt anfällt.
Grüner Wasserstoff, der durch Elektrolyse (ein energiereiches Verfahren) und erneuerbare Energiequellen hergestellt wird, ist eine kostspielige Option, die nur etwa 5% der gesamten H2-Produktion ausmacht. Derzeit stammt der Großteil der weltweiten Wasserstoffproduktion aus fossilen Brennstoffen und wird dies auch noch einige Jahrzehnte lang tun.
Speicherung von Wasserstoffenergie – wie gelingt es?
Mit dem Ausbau der Produktionskapazitäten für effizientere und kostengünstigere Elektrolyseure ist jedoch zu erwarten, dass die Produktionskosten parallel zur Einführung ausgereifter Technologien und Kapazitäten zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien deutlich sinken werden.
Um ein sicheres, robustes und dekarbonisiertes Energiesystem zu schaffen, werden die Produktion und die Speicherung von Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen, um das intermittierende Energieangebot aus erneuerbaren Energiequellen mit der Nachfrage der Endverbraucher (z. B. nach Strom aus dem Netz, Heizenergie für Haushalte und Industrie sowie Kraftstoff für den Verkehr) auszugleichen.
Die Debatten über die Vor- und Nachteile von Wasserstoff-Brennstoffzellen gehen weiter, aber trotz der derzeitigen Einschränkungen ist Wasserstoff immer noch eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen und kann mit Hilfe der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie für eine breite Palette von Industrieanlagen und Verkehrsmitteln flexibel und mit hoher Dichte als Energie- und Antriebsquelle genutzt werden
Was sind die Vorteile von Wasserstoff-Brennstoffzellen?
Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen Energiequellen, darunter:
1. Erneuerbar und leicht verfügbar
Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und trotz der Herausforderungen, die mit seiner Gewinnung aus Wasser verbunden sind, ist er eine einzigartig reichhaltige und erneuerbare Energiequelle, die sich perfekt für unseren zukünftigen kohlenstofffreien Bedarf an Kraft-Wärme-Kopplung eignet.
2. Wasserstoff ist eine saubere und flexible Energiequelle zur Unterstützung kohlenstofffreier Energiestrategien
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind eine inhärent saubere Energiequelle, die während des Betriebs keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt hat, da als Nebenprodukte lediglich Wärme und Wasser entstehen. Im Gegensatz zu Biokraftstoff oder Wasserkraft werden für die Produktion von Wasserstoff keine großen Landflächen benötigt. Die NASA arbeitet sogar daran, Wasserstoff als Ressource zu nutzen, wobei das als Nebenprodukt anfallende Wasser als Trinkwasser für die Astronauten verwendet wird. Das zeigt, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen eine ungiftige Brennstoffquelle sind und damit Kohle, Erdgas und Atomkraft überlegen sind, die alle entweder potenziell gefährlich oder schwer zu beschaffen sind. Die Produktion, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff wird eine wichtige Rolle bei der weiteren Entwicklung der erneuerbaren Energien spielen, indem sie deren intermittierende Versorgungsmodalitäten mit den anspruchsvollen Anforderungen der Endverbraucher ausgleicht und so die Notwendigkeit erheblicher Anfangsinvestitionen in den Ausbau der Netzinfrastruktur vermeidet.
3. Leistungsstärker und energieeffizienter als fossile Brennstoffe
Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie bietet eine Energiequelle mit hoher Energiedichte und guter Energieeffizienz. Wasserstoff hat den höchsten Energiegehalt aller gängigen Brennstoffe (nach Gewicht). Gasförmiger und flüssiger Hochdruck-Wasserstoff hat eine etwa dreimal so hohe gravimetrische Energiedichte (etwa 120 MJ/kg) wie Diesel und Flüssiggas und eine ähnliche volumetrische Energiedichte wie Erdgas.
4. Hocheffizient im Vergleich zu anderen Energiequellen
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind effizienter als viele andere Energiequellen, einschließlich vieler grüner Energielösungen. Diese Effizienz ermöglicht die Erzeugung von mehr Energie pro Pfund Brennstoff. Ein konventionelles Verbrennungskraftwerk beispielsweise erzeugt Strom mit einem Wirkungsgrad von 33-35%, während Wasserstoff-Brennstoffzellen einen Wirkungsgrad von bis zu 65% haben. Das Gleiche gilt für Fahrzeuge, bei denen Wasserstoff-Brennstoffzellen 40-60% der Energie des Kraftstoffs nutzen und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch um 50% senken.
5. Fast keine Emissionen
Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen keine Treibhausgasemissionen wie fossile Brennstoffe, wodurch die Umweltverschmutzung reduziert und die Luftqualität verbessert wird.
6. Reduziert den Kohlenstoff-Fußabdruck
Da Wasserstoff-Brennstoffzellen so gut wie keine Emissionen verursachen, setzen sie keine Treibhausgase frei, was bedeutet, dass sie während ihrer Nutzung keinen Kohlenstoff-Fußabdruck hinterlassen.
7. Schnelle Ladezeiten
Die Ladezeit von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Aggregaten ist extrem schnell, ähnlich wie bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE) und deutlich schneller als bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen. Während Elektrofahrzeuge zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden zum Aufladen brauchen, können Wasserstoff-Brennstoffzellen in weniger als fünf Minuten aufgeladen werden. Diese schnelle Ladezeit bedeutet, dass wasserstoffbetriebene Fahrzeuge die gleiche Flexibilität bieten wie herkömmliche Autos.
8. Keine Lärmbelästigung
Wasserstoff-Brennstoffzellen verursachen keine Lärmbelästigung wie andere erneuerbare Energiequellen, z.B. die Windenergie. Das bedeutet auch, dass wasserstoffbetriebene Fahrzeuge, ähnlich wie Elektroautos, viel leiser sind als Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren.
9. Lange Nutzungszeiten
Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten eine höhere Effizienz in Bezug auf die Nutzungszeiten. Ein Wasserstofffahrzeug hat die gleiche Reichweite wie ein Fahrzeug, das mit fossilen Brennstoffen betrieben wird (etwa 300 Meilen). Das ist mehr als die Reichweite von Elektrofahrzeugen (EVs), die zunehmend mit Brennstoffzellenantrieben als „Range-Extender“ entwickelt werden. Wasserstoff-Brennstoffzellen sind außerdem unabhängig von der Außentemperatur und werden im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen bei kaltem Wetter nicht beschädigt. Dieser Vorteil wird noch verstärkt, wenn man ihn mit den kurzen Ladezeiten kombiniert.
10. Vielseitigkeit der Nutzung
Mit dem Fortschritt der Technologie werden Wasserstoff-Brennstoffzellen in der Lage sein, Energie für eine Reihe von stationären und mobilen Anwendungen zu liefern. Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge sind nur ein Beispiel, aber sie könnten auch für kleinere Anwendungen wie Haushaltsprodukte oder größere Heizungsanlagen eingesetzt werden. Ähnlich wie bei Verbrennungsmotoren sind die Funktionen der Energiespeicherkapazität (d. h. des Kraftstofftanks) und der Motorgröße entkoppelt, im Gegensatz zu batteriebetriebenen Antrieben (bei denen die Leistung linear mit der Masse skaliert), was eine große Flexibilität bei der Konstruktion ermöglicht.
