Vom Wirkungsgrad der Brennstoffzelle

Um die Energiewende erfolgreich zu gestalten, braucht es nicht nur Strom aus erneuerbaren Quellen. Wichtig für ein Gelingen sind ebenso nachhaltige Stromerzeuger, smarte Netze und flexible Stromspeicher. Effizienz ist ein wichtiger Faktor im Zusammenspiel aller Komponenten. Doch wie lässt sich eine Aussage darüber treffen, was effizient ist und was nicht? Und wie lässt sich die Effizienz einzelner Technologien zur Stromerzeugung überhaupt messen und beziffern? Auskunft darüber gibt der Wirkungsgrad. Folgend gibt es nun Antworten darauf, was es mit dem Wirkungsgrad auf sich hat. Wie dieser zustande kommt und was er mit Brennstoffzellen zu tun hat. Denn auch Brennstoffzellen weisen einen Wirkungsgrad auf. Und, das sei an dieser Stelle bereits verraten, einen besonders hohen, wenn es um den Vergleich mit herkömmlichen Energieerzeugern wie konventionellen Generatoren geht. Dazu aber an späterer Stelle mehr. Zu Beginn gleich die vermutlich wichtigste Frage: Was ist der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle?

Der Wirkungsgrad im Allgemeinen macht die Effizienz technischer Anlagen vergleichbar. Dazu wird er als Verhältniszahl oder Prozentangabe angegeben. Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle muss also berechnet werden? Ja, aber keine Sorge: In diesem Zusammenhang sind keine tieferen Mathematik-Kenntnisse notwendig. Und der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle wird genauso berechnet wie der anderer Aggregate auch. Ein Pkw-Motor hat beispielsweise einen Wirkungsgrad von durchschnittlich etwa 0,2 beziehungsweise 20 Prozent.^[1] Die 100 Prozent des eingesetzten Kraftstoffs wandelt der Verbrennungsmotor also lediglich zu 20 Prozent in Fortbewegungsenergie um. Die verbleibenden 80 Prozent gehen in Form von Wärme verloren. Ist ein Verbrennungsmotor effizient? Es sieht nicht danach aus. Ein Vergleich bringt Licht ins Dunkel. Beispielsweise mit einem Elektromotor. Fahrzeuge mit Elektromotoren weisen Wirkungsgrade von 90 Prozent und teilweise sogar mehr auf.^{[2], [3]} So erzeugt das Elektro-Aggregat also aus einem Kilowatt elektrischer Leistung eine mechanische Antriebsleistung von 0,9 Kilowatt. Die restlichen 0,1 Kilowatt werden wie beim Ottomotor als Verlustleistung bezeichnet und als Wärme frei.

Große Unterschiede bei den Wirkungsgraden von Brennstoffzellen

Wie hoch sind nun Wirkungsgrade von Brennstoffzellen? Dazu gilt es, eine Unterscheidung vorzunehmen. So existieren gleich zwei Definitionen des Wirkungsgrads von Brennstoffzellen. Dreht es sich beispielsweise um den energetischen Wirkungsgrad von Brennstoffzellen, handelt es sich um das Verhältnis aus der erhaltenen elektrischen Energie zu der im verbrauchten Betriebsstoffvolumen (Wasserstoff, Methanol) gespeicherten Energie. Der ideale Wirkungsgrad von Brennstoffzellen oder auch der theoretische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen gibt hingegen an, wie viel elektrische Energie theoretisch im Verhältnis zur freiwerdenden Gesamtenergie genutzt werden kann. Es wird gleich offenkundig, dass es sich um ideale Bedingungen handelt, wie sie womöglich nur im Labor vorzufinden sind. In der Praxis kann der Ideale Wirkungsgrad von Brennstoffzellen so gut wie nie erreicht werden. Er spielt allerdings für die Forschung eine entscheidendere Rolle.

Bei der Suche nach dem Wirkungsgrad von Brennstoffzellen ist eine weitere Unterscheidung notwendig. Nämlich die nach der Art des Aggregats. Die am häufigsten verwendete Brennstoffzellen-Technologie bzw. -Art ist die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC) gegenüber der oxidkeramischen Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell: SOFC). Der elektrische Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle liegt bei 32 Prozent bis 37 Prozent.^[4] Ihr gegenüber liegt die Bandbreite des Wirkungsgrads der SOFC-Brennstoffzelle bei 33 Prozent bis 60 Prozent.^[5] Der Wirkungsgrad dieser Brennstoffzellen-Art ist zwar höher als der PEM-Brennstoffzellen-Wirkungsgrad, dafür weisen letztgenannte längere Lebenszyklen auf. Durchschnittlich kommen sie auf Zeiträume von zehn Jahren und mehr.^[6] Dies liegt an ihrer vergleichsweise geringeren Betriebstemperatur von 80°C.^{[7], [8]} Somit ist die PEM-Brennstoffzelle insbesondere für Anwendungen im mobilen Bereich interessant. SOFC-Aggregate kommen hingegen häufiger in stationären Anwendungen zum Einsatz. So beispielsweise für Blockheizkraftwerke und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. Die EFOY Hydrogen 2.5 Wasserstoff-Brennstoffzelle von SFC Energy beruht auf der PEM-Technologie. Sie deckt hohe Leistungsbereiche ab und liefert zuverlässig und dauerhaft umweltfreundliche Energie für eine große Bandbreite von Anwendungen. Unter anderem fungiert sie als Notstromaggregat in Mobilfunkmasten.

Wirkwunder Wasserstoff

Für jede Anwendung gibt es also die passende Brennstoffzellenlösung. Das ist gut so. Denn im Zuge der ambitionierten Klimaschutzziele des Pariser Klimaabkommens gilt es, große Herausforderungen zu bewältigen. Die Elektromobilität rückt daher auf dem Weg zu nachhaltigeren Konzepten wieder in den Fokus. Brennstoffzellen können neben zahlreichen anderen Anwendungsgebieten wie erwähnt auch als Energieerzeuger für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen. Genauer gesagt handelt es sich dabei ebenfalls um die Wasserstoff-Brennstoffzelle. Auch der Wirkungsgrad einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ist im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsmotoren überdurchschnittlich hoch. Mit Reichweiten von bis zu 700 Kilometern bewegen sich von Brennstoffzellen angetriebene Fahrzeuge zudem auf dem Niveau ihrer Benzin- und Diesel-Pendants. Nachteile sind hingegen das bisher noch nicht flächendeckend verfügbare Tankstellennetz und die nach wie vor teure Produktion des Betriebsstoffs Wasserstoff.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Wasserstoff? Wie hoch ist der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Wirkungsgrad? Um diese Fragen zu beantworten, ist zunächst einmal zu beachten, dass Wasserstoff zwar das häufigste Element des Universums, dabei jedoch nicht wie beispielsweise Öl in der Erdrinde vorhanden ist. Entsprechend kann Wasserstoff auch nicht wie Erdöl einfach abgebaut werden. Dafür ist Wasserstoff jedoch vergleichsweise einfach herzustellen. Und dies grundsätzlich in beliebigen Mengen, da er in Wasser enthalten ist. Im Prinzip lässt er sich durch Hinzunahme von fossilen Energieträgern wie Erdgas erzeugen. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Reformierungsverfahren. Eine Alternative ist die Elektrolyse. Wasser wird innerhalb dieses Prozesses mit Hilfe von Strom in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt. Die Elektrolyse weist einen Wirkungsgrad von 60 bis 70 Prozent auf.^{[10], [11]} Und auch bei der Umwandlung des Wasserstoffs in Strom geht Energie verloren. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle liegt je nach Anwendung bei etwa 50 Prozent.^[12]

Schlüsseltechnologie der Energiewende

Was bedeutet das? Über den gesamten Prozess von der Erzeugung der Energie, ihrer Speicherung, eventuellem Transport und der erneuten Umwandlung von Wasserstoff in Strom kommt lediglich etwa ein Viertel bis ein Drittel in der Anwendung an.^[13] Dieser Kritikpunkt wird häufig angeführt. Er hat allerdings nichts mit dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle oder in diesem Fall dem Wirkungsgrad der Wasserstoff-Brennstoffzelle zu tun. Tatsächlich nimmt dieser Umstand keinen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Zudem rückt die Thematik bei sogenanntem „grünen Wasserstoff“ in den Hintergrund. Denn diese Form des Wasserstoffs wird klimaneutral hergestellt. Bei der Produktion kommt ausschließlich Strom aus regenerativen Quellen zum Einsatz. Also beispielsweise aus Wind und Sonne. Aus elektrischer Energie entsteht in der Folge chemische. Strom wird speicherbar. Zur Finalisierung der Energiewende ist diese Speichermöglichkeit ein essenzieller Baustein. Denn durch Stromspeicher kommt die Energie dorthin, wo sie gebraucht wird. Das stellt die Versorgung dezentraler auf.

Brennstoffzellen sind nicht notwendigerweise auf Wasserstoff als Betriebsstoff angewiesen. Ebenso stark nachgefragt sind Direktmethanol-Brennstoffzellen. Sie werden mit dem Namensgeber Methanol betrieben. Auch der Wirkungsgrad von Direktmethanol-Brennstoffzellen liegt in der Bandbreite von 40 Prozent. SFC Energy bietet mit der EFOY, EFOY Pro, EMILY und JENNY Methanol-Brennstoffzellen mit hohen Wirkungsgraden an, die sowohl von Industrie- sowie Behördenorganisationen beispielsweise für Verkehrsleittechnik, Mess- und Wetterstationen oder ziviler Überwachungstechnik genutzt werden. Im Endverbraucherbereich kommen sie in Reisemobilien und Booten zum Einsatz. Es zeigt sich eindrucksvoll, wie vielseitig Brennstoffzellen sind. Dabei ist der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle nur eine ihrer vielen Vorteile.