Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle ist eine innovative Technologie, die eine nachhaltige Energiequelle darstellt. Sie wandelt die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Dieser revolutionäre Ansatz zur Erzeugung von Strom hat das Potenzial, eine wichtige und klimaschonende Energiequelle zu werden. Brennstoffzellen haben sich in der Luft- und Raumfahrt als Energieerzeuger etabliert.
Definition
Eine Brennstoffzelle ist ein technisches Gerät, das Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoffe elektrochemisch verwendet, um elektrische Spannung zu erzeugen. Die Umwandlung ist umweltfreundlich und ohne schädliche Emissionen. Die Zelle funktioniert auf der Grundlage einer kontrollierten chemischen Reaktion, die in den Elektroden der Zelle stattfindet und durch einen Elektrolyten ermöglicht wird, und ist in ihrer Funktion CO₂-neutral.
Die Nachhaltigkeit der Brennstoffzellentechnologie basiert auf mehreren Faktoren: Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren wandelt sie chemische Energie direkt in elektrische Energie um, ohne den Umweg über thermische Energie – dies ermöglicht Wirkungsgrade von bis zu 60 % (gegenüber 25-40 % bei konventionellen Verbrennungsmotoren).
Als einziges Nebenprodukt entsteht reines Wasser, während Stickoxide, Feinstaub oder Kohlenstoffdioxid nicht freigesetzt werden. Zudem arbeiten Brennstoffzellen geräuscharm und mit wenigen beweglichen Teilen, was ihre Lebensdauer erhöht und den Wartungsaufwand reduziert. Wird der eingesetzte Wasserstoff aus erneuerbaren Energien produziert, ist das besonders klimafreundlich.
Herstellung einer Brennstoffzelle
Die Herstellung einer Brennstoffzelle umfasst mehrere präzise Fertigungsschritte: Zunächst werden hochleitfähige Elektroden aus Materialien wie Platin-beschichteter Kohlenstoff gefertigt. Diese werden mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) zu einer Membran-Elektroden-Einheit verbunden. Anschließend erfolgt die Integration in ein Gehäuse mit Gaskanälen für die Brennstoffzufuhr und Kühlung. Mehrere solcher Zellen werden zu einem sogenannten Brennstoffzellen-Stack zusammengeschaltet, um die gewünschte Leistung zu erzielen.
Für eine vollständig nachhaltige Energiekette kann der benötigte Wasserstoff durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt werden: Windkraftanlagen in Nord- und Ostsee liefern Überschussstrom für die Wasserstoffproduktion, Photovoltaikanlagen in sonnenreichen Regionen können zur Elektrolyse genutzt werden. Und Wasserkraftwerke bieten eine konstante Stromquelle für die kontinuierliche Wasserstofferzeugung. Auch Biomasse kann durch Vergasung zur Wasserstoffgewinnung beitragen. Diese Kombination aus erneuerbaren Energiequellen und Brennstoffzellentechnologie ermöglicht einen geschlossenen, emissionsfreien Energiekreislauf.
Es handelt sich um ein Heizsystem, welches das Funktionsprinzip der Kraft-Wärme-Kopplung nutzt, beziehungsweise wie eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage) funktioniert. Das heißt, sie erzeugt sowohl Strom als auch Wärme. Die Funktionsweise basiert auf einer elektrochemischen Reaktion, bei der Wasserstoff (H2) an der Anode und Sauerstoff (O2) an der Kathode zusammengeführt werden. Diese beiden Brennstoffe werden durch einen Elektrolyten voneinander getrennt. Wasserstoffmoleküle werden an der Anode in Wasserstoff-Ionen (Protonen) und Elektronen aufgespalten. Die freigesetzten Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis und erzeugen dabei elektrischen Strom, während die Wasserstoff-Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode wandern. An der Kathode reagieren die Wasserstoff-Ionen mit Elektronen und Sauerstoff, um Wasser (H2O) zu bilden. Dieser Prozess erzeugt nicht nur elektrischen Strom und Wasser, sondern auch Wärme, die zum Beispiel für die Heizung genutzt werden kann. Diese elektrochemische Reaktion wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet und ist besonders effizient.
Eine Brennstoffzelle erzeugt Energie durch die Umwandlung von verfügbarem Brennstoff, während eine Lithium-Ionen-Batterie beziehungsweise ein Lithium-Ionen-Akku Energie speichert und diese bei Bedarf nutzt. Ein entscheidender Bestandteil ist die Ionen-Austausch-Membran, da sie den Raum zwischen zwei Elektroden trennt.
Grüner Wasserstoff
Dieser Wasserstoff wird ausschließlich mithilfe erneuerbarer Energien wie Wind-, Solar- oder Wasserkraft hergestellt. Da bei der gesamten Produktionskette keine CO₂-Emissionen entstehen, gilt grüner Wasserstoff als klimaneutral und stellt die umweltfreundlichste Form der Wasserstoffgewinnung dar. Er ist zentraler Baustein für eine nachhaltige Energiewirtschaft und die Dekarbonisierung industrieller Prozesse, jedoch derzeit aufgrund der höheren Produktionskosten noch nicht flächendeckend verfügbar.
Blauer Wasserstoff
Blauer Wasserstoff lässt sich aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas gewinnen. Das entstehende CO₂ wird dabei abgeschieden und dauerhaft gespeichert. Bei diesem Verfahren kommt meist die Dampfreformierung zum Einsatz, bei der Erdgas mit Wasserdampf reagiert und Wasserstoff sowie Kohlendioxid entstehen. Das CO₂ wird anschließend aufgefangen und in unterirdischen geologischen Formationen eingelagert. Blauer Wasserstoff gilt als CO₂-arm, jedoch nicht als vollständig klimaneutral, da die Abscheidung nie zu 100 % erfolgt und auch bei Transport und Speicherung des CO₂ Emissionen entstehen können. Blauer Wasserstoff gilt gemeinhin als Übergangslösung.
Grauer Wasserstoff
Grauer Wasserstoff wird durch konventionelle Verfahren aus fossilen Brennstoffen hergestellt – ohne, dass die entstehenden CO₂-Emissionen aufgefangen werden. Die Produktion erfolgt hauptsächlich durch Dampfreformierung von Erdgas oder durch Kohlevergasung. Bei diesem Prozess werden pro Tonne Wasserstoff etwa 10 Tonnen CO₂ freigesetzt, die ungehindert in die Atmosphäre gelangen. Grauer Wasserstoff macht derzeit etwa 95 % der weltweiten Wasserstoffproduktion aus und ist die kostengünstigste, aber auch umweltschädlichste Herstellungsmethode.
Welche Brennstoffzellen gibt es?
Die Alkalische Brennstoffzelle ist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit einer konzentrierten wässrigen Lauge als Elektrolyt. Alkalische Brennstoffzellen waren ein bedeutender Schritt in der Entwicklung der Brennstoffzellentechnik. Alkalische Brennstoffzellen wurden bekannt durch ihren Einsatz in der Raumfahrt (Apollo-Missionen, Space Shuttle), wo sie Strom und Trinkwasser lieferten. Mit ihrem Kaliumhydroxid-Elektrolyten erreichen sie Wirkungsgrade bis 70 %. Sie finden heute Anwendung in stationären Stromerzeugungsanlagen, Notstromaggregaten und dezentralen Energiesystemen in netzfernen Gebieten. Ihre einfache Konstruktion und die Fähigkeit, mit weniger reinem Wasserstoff zu arbeiten, sind dabei vorteilhaft.
Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ist eine Brennstoffzelle, die bei niedrigen Zell-Temperaturen zwischen 60 und 120 °C Methanol als Brennstoff nutzt, meist als wässrige Methanollösung, seltener als gasförmiges Methanol-Wassergemisch. Direkt-Methanol-Brennstoffzellen werden vorwiegend für portable Elektronik wie Laptops und Smartphones eingesetzt, wo sie längere Laufzeiten als herkömmliche Batterien bieten und durch einfaches Nachfüllen von Methanol wieder einsatzbereit sind.
Die Oxidkeramische-Brennstoffzelle ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Betriebstemperaturen zwischen 500 °C und bis zu 1000 °C. Damit eignet sie sich für die direkte Verwendung von Kohlenwasserstoffen wie Diesel, Benzin oder Erdgas und wird hauptsächlich zur stationären Energieerzeugung eingesetzt. In der Kraft-Wärme-Kopplung für Wohngebäude und Gewerbe liefern oxidkeramische-Brennstoffzellen gleichzeitig Strom und Wärme mit Gesamtwirkungsgraden von bis zu 90 %.
Die Festoxid-Brennstoffzelle, auch SOFC genannt, ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die mit einer Temperatur von 650 bis 1000 °C betrieben wird. Der Elektrolyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoff-Ionen zu leiten, gleichzeitig aber für Elektronen isolierend wirkt. Festoxid-Brennstoffzellen werden hauptsächlich für stationäre Energieerzeugung eingesetzt. Sie sind ideal für Kraft-Wärme-Kopplung in Gebäuden und Industrie, wo sie hohe Wirkungsgrade erzielen.
Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC beziehungsweise Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen) sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Der Elektrolyt besteht aus einer dünnen, festen Kunststoffhaut, der Polymer-Membran. PEMFC steht für „Proton Exchange Membrane Fuel Cell“, auf Deutsch: Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle. Bei einem Niedertemperatur-PEMFC-System wird chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Die Technologie ist eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Energiespeichern, insbesondere für mobile Anwendungen und im Automobilbereich. Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle ist einer der am weitesten verbreiteten Brennstoffzellen. Sie dominiert den Mobilitätssektor dank ihrer kompakten Bauweise, schnellen Startzeiten und hohen Leistungsdichte.
Die PEM-Brennstoffzelle ist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, die bei Betriebstemperaturen unter 100 Grad arbeitet. Mit der PEM-Brennstoffzelle/ Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC – Proton Exchange Membran Fuel Cell) kann die Wasserstofftechnologie auch für die Heizung in Form einer Brennstoffzellen-Heizung genutzt werden.
Bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch an getrennten Elektroden kontrolliert zur Reaktion gebracht. Hierbei wird die chemische Energie des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in elektrische Energie umgewandelt.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle. Sie erzeugt durch eine chemische Reaktion Strom. Dabei wird die chemische Energie des Wasserstoffs genutzt und in elektrische Energie umgewandelt. Gerade in der E-Mobilität beziehungsweise beim E-Auto ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine spannende Alternative.
Bei der SOFC-Brennstoffzelle gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab. Die Elektronen fließen von der Anode zu Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluss, der Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt. Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül. SOFC-Brennstoffzellen werden vor allem für stationäre Energieerzeugung genutzt. Sie eignen sich für Kraft-Wärme-Kopplung in Gebäuden und Industrie sowie für die kontinuierliche Stromversorgung in energieintensiven Bereichen.
Wo werden Brennstoffzellen eingesetzt?
Die Brennstoffzellentechnologie wird in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt. Eine der bekanntesten ist der Brennstoffzellen-Antrieb in Fahrzeugen. Dort liefern sie die Elektrizität für den Antrieb. Brennstoffzellenfahrzeuge haben den Vorteil, dass sie keine schädlichen Abgase produzieren und eine hohe Reichweite haben. Darüber hinaus werden Brennstoffzellen in stationären Brennstoffzellen-Kraftwerken eingesetzt, um dezentralen Strom zu erzeugen. Diese Kraftwerke können sowohl für den Eigenbedarf als auch zur Einspeisung ins Netz genutzt werden. Weitere Anwendungen lassen sich über Brennstoffzellen-Heizgeräte bis hin zur Raumfahrt finden, bei der die Zuverlässigkeit und Effizienz von Brennstoffzellen bei der Energieversorgung von Raumfahrzeugen eine entscheidende Rolle spielen.
Durch den hohen Wirkungsgrad erobert die Technologie auch den Markt für tragbare Geräte. Brennstoffzellen können als Notstromversorgung in entlegenen Gebieten oder als mobile Ladegeräte für elektronische Geräte dienen. Dies macht sie zu einer attraktiven Option für den Einsatz in Situationen, in denen konventionelle Stromquellen begrenzt sind.
Vorteile von Brennstoffzellen
Die Brennstoffzellentechnologie bietet zahlreiche Vorteile, die ihre Attraktivität als nachhaltige Energiequelle unterstreichen. Ein Hauptvorteil ist ihre Umweltfreundlichkeit. Brennstoffzellen erzeugen keine schädlichen Emissionen, da bei der Reaktion lediglich Wasser entsteht. Dies trägt zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei und ist ein wichtiger Schritt im Kampf gegen den Klimawandel.
Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die hohe Energieeffizienz von Brennstoffzellen. Sie sind in der Lage, einen Großteil der in den Brennstoffen enthaltenen Energie in elektrischen Strom umzuwandeln, was zu einer effizienten Energieerzeugung führt. Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, bei denen ein erheblicher Teil der Energie in Form von Abwärme verloren geht, sind Brennstoffzellen weitaus effizienter.
Brennstoffzellen zeichnen sich auch durch ihre Langlebigkeit aus. Sie haben eine lange Betriebsdauer und sind im Vergleich zu Batterien wartungsarm. Dies macht sie zu einer zuverlässigen Energiequelle für viele Anwendungen.
Darüber hinaus können Brennstoffzellen kontinuierlich Energie erzeugen, solange Brennstoff vorhanden ist. Dies ist besonders in Situationen von Vorteil, in denen eine kontinuierliche Energieversorgung erforderlich ist, wie beispielsweise in Notstromversorgungssystemen.
Besonders hervorzuheben ist außerdem die Nachhaltigkeit der Brennstoffzellentechnologie – insbesondere, wenn der verwendete Wasserstoff durch erneuerbare Energien erzeugt wird. Diese Eigenschaft macht Brennstoffzellen zu einem Schlüsselelement in der Energiewende und bei der Erreichung der Klimaschutzziele. Das deutsche Klimaschutzgesetz, das 2021 novelliert wurde, sieht vor, dass Deutschland bis 2045 klimaneutral werden soll. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, sind innovative Technologien wie Brennstoffzellen unverzichtbar. Sie können in verschiedenen Sektoren – von der Mobilität über die Industrie bis hin zur Gebäudeenergie – einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasemissionen leisten und helfen, die gesetzlich verankerten Klimaschutzziele zu erreichen.
Nachteile und Herausforderungen
Obwohl die Brennstoffzellentechnologie viele Vorteile bietet, gibt es auch Herausforderungen und Einschränkungen, die noch überwunden werden müssen. Eine dieser Herausforderungen ist die Herstellung von Wasserstoff, der als Brennstoff für die Zellen dient. Die Herstellung von Wasserstoff kann energieintensiv sein und erfordert nachhaltige Produktionsmethoden, um die Umweltauswirkungen zu minimieren. Dabei könnten erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie eine entscheidende Rolle spielen. Überschussstrom aus Wind- und Solaranlagen, der sonst ungenutzt bliebe, kann direkt genutzt werden, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, ohne fossile Energiequellen einzusetzen. Zudem ermöglicht die Kopplung von Elektrolyseuren mit erneuerbaren Energien eine Netzstabilisierung und die effiziente Nutzung von Lastspitzen. Durch dezentrale Anlagen wird die lokale Produktion gefördert, wodurch Transportverluste minimiert werden. Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien sinken die Kosten für grünen Strom, was die Wasserstoffproduktion langfristig wirtschaftlicher und weniger energieintensiv macht.
Die begrenzte Infrastruktur für Wasserstofftankstellen ist ein weiteres Hindernis für die Verbreitung von Brennstoffzellenfahrzeugen. Um das volle Potenzial dieser Fahrzeuge auszuschöpfen, ist der Ausbau eines flächendeckenden Netzwerks von Tankstellen notwendig.
Ein weiterer wichtiger Faktor sind die Kosten. Obwohl die Kosten für Brennstoffzellen in den letzten Jahren gesunken sind, sind sie immer noch vergleichsweise hoch. Die Senkung der Herstellungskosten ist ein zentrales Ziel, um die Technologie für eine breitere Anwendung zugänglicher zu machen.
Schließlich müssen Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden, insbesondere im Umgang mit Wasserstoff, der leicht entzündlich ist. Die Entwicklung sicherer Speicher- und Transportmethoden für Wasserstoff ist von großer Bedeutung.
Aktuelle Entwicklungen
Bislang bewegt sich die Brennstoffzellentechnologie in vielen Bereichen noch in einem Nischensegment. Im Mobilitätssektor gehen die Zulassungszahlen von Brennstoffzellenfahrzeugen sogar zurück: Im ersten Quartal des Jahres 2024 wurden weltweit rund 2.400 Wasserstofffahrzeuge neu zugelassen - ein Rückgang von über 36 Prozent gegenüber dem Vorjahreszeitraum. In Deutschland waren am 1. Juli 2024 rund 2.100 Pkw mit Brennstoffzellenantrieb zugelassen. Insgesamt entspricht dies nur einem Anteil von 0,004 Prozent am gesamten Pkw-Bestand. Die geringe Verbreitung von Brennstoffzellenfahrzeugen in Deutschland spiegelt sich auch in der begrenzten Modellvielfalt wider. Aktuell sind lediglich zwei Brennstoffzellenautos als Serienmodelle erhältlich. Zukunftsträchtiger ist die Lage bei Schwerlastfahrzeugen wie Omnibussen oder LKW. Wasserstoffantriebe sind im Schwerlastverkehr besonders geeignet, da sie hohe Reichweiten mit kurzen Betankungszeiten ermöglichen und im Vergleich zu schweren Batterien eine höhere Nutzlast bieten. Sie sind ideal für lange Strecken und den Dauerbetrieb, wo batterieelektrische Antriebe an Grenzen stoßen.
Auch im Gebäudesektor hat die Brennstofftechnologie bisher nicht den Durchbruch geschafft. Während die Zahl der Brennstoffzellenheizungen zunächst dank staatlicher Förderprogramme stark anstieg, werden aktuell kaum mehr neue Geräte dieser Bauart installiert. Trotz technischer Reife und hoher Effizienz konnten sich die Heizsysteme nicht durchsetzen. Hauptgründe sind die hohen Anschaffungskosten, die komplexe Technik und der Wegfall staatlicher Förderungen, insbesondere des KfW-Programms 433. Zudem fehlt es an einem klaren politischen Bekenntnis zur Wasserstofftechnologie im Gebäudesektor. Viele Hersteller haben sich daher aus dem Markt zurückgezogen, die Nachfrage ist stark gesunken.
Brennstoffzellen spielen in der Industrie vor allem eine Rolle als effiziente, dezentrale Energiequelle für Strom und Wärme. Sie kommen zum Einsatz, wenn Unternehmen unabhängig vom öffentlichen Stromnetz agieren oder hohe Anforderungen an Versorgungssicherheit, Energieeffizienz und Emissionsreduktion stellen. In der chemischen Industrie, in Rechenzentren oder in der Lebensmittelverarbeitung dienen sie etwa zur stabilen Energieversorgung bei gleichzeitig geringem CO₂-Ausstoß. Besonders attraktiv ist ihr Einsatz dort, wo bereits Wasserstoff als Rohstoff oder Nebenprodukt vorhanden ist, da dieser direkt als Brennstoff genutzt werden kann. Zudem können Brennstoffzellen helfen, industrielle Prozesse nachhaltiger zu gestalten und einen Beitrag zur Dekarbonisierung zu leisten.
Infrastruktur
Dass Brennstoffzellenantriebe im Mobilitätssektor bisher nicht massentauglich geworden sind, liegt auch an der mangelnden Wasserstoff-Infrastruktur. Aktuell verfügt Deutschland über nur 86 Wasserstofftankstellen. Zum Vergleich: Deutschlandweit waren am 1. Februar 2025 insgesamt rund 161.700 Ladepunkte für Elektrofahrzeuge in Betrieb. Fahrer:innen von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb haben somit nur begrenzte Möglichkeiten, Treibstoff zu tanken.
Bis Ende 2032 soll das Wasserstoff-Kernnetz allerdings weiter ausgebaut werden und dann eine Gesamtlänge von 9.040 Kilometern erreichen. Dieses Netz wird zu 56 % aus umgestellten Erdgasleitungen und zu 44 % aus neu gebauten Pipelines bestehen. Die ersten 525 Kilometer sollen bis Ende 2025 in Betrieb genommen werden. Das Kernnetz soll wichtige Wasserstoffstandorte wie Häfen, Erzeugungsanlagen und Industriezentren miteinander verbinden und bildet somit das Rückgrat für den zukünftigen Wasserstofftransport in Deutschland.
Fazit
Insgesamt ist die Brennstoffzellentechnologie ein vielversprechender Ansatz, um den Übergang zu sauberen und nachhaltigen Energiequellen voranzutreiben. Sie bietet eine umweltfreundliche Möglichkeit, elektrische Energie zu erzeugen, die in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt werden kann. Allerdings befinden sich viele davon noch immer in Nischensektoren.
Konkrete Zukunftsperspektiven zeigen sich vor allem im Schwerlastverkehr und der Industrie. Hier könnten Hochtemperatur-Brennstoffzellen fossile Energieträger unter Umständen in energieintensiven Prozessen ersetzen. Die Wasserstoff-Infrastruktur soll durch europäische Initiativen wie das „European Hydrogen Backbone"-Projekt massiv ausgebaut werden. Trotz dieser Fortschritte bestehen weiterhin Herausforderungen, insbesondere hinsichtlich der Finanzierung, der Schaffung ausreichender Speicherkapazitäten und der Entwicklung eines funktionierenden Wasserstoffmarktes. Die kommenden Jahre werden entscheidend sein, um die geplanten Projekte erfolgreich umzusetzen und die Rolle des Wasserstoffs in der Energiewende zu festigen.
