With the fuel cell into a clean future ? | Mit der Brennstoffzelle in eine saubere Zukunft ?

Um was geht es ?

Durch den erzwungenen Energiewandel seitens des Staates müssen sich die Industrie und die Wirtschaft auf erhebliche Einschnitte einstellen. Um den unrealistischen Zielen der EU gerecht zu werden suchen Wissenschaftler und Ingenieure nach Möglichkeiten den CO² Ausstoß von Fahrzeugen und Industrieanlagen zu reduzieren. Dies wollen die Entwickler mit der Brennstoffzelle erreichen, darum geht es in diesem Blogpost.

Die Geschichte der Brennstoffzelle

Schon 1838 fand Christian Friedrich Schönbein das Prinzip einer Brennstoffzelle heraus, als er zwei Platindrähte in verdünnter Schwefelsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine elektrische Spannung bemerkte. Allerdings geriet die galvanische Gasbatterie wieder in Vergessenheit als Werner von Siemens den elektrischen Generator erfand. Erst in den 1950er Jahren kam die Idee der Brennstoffzellen wieder auf da man für die Apollomissionen kompakte Energieerzeuger benötigte und sich die Brennstoffzelle hierbei als praktikabel herausstellte. Seither befindet sich die Brennstoffzelle in stetiger Weiterentwicklung und die erzwungene Abkehr von fossilen Brennstoffen sorgt zusätzlich für eine subventionierte Forschung in diesem Bereich (Warum ich so abfällig argumentiere seht ihr später).[1]

Aufbau der Brennstoffzelle

Unten gezeigt ist der Prinzipaufbau einer normalen Polymer Electrolyte Fuel Cell, kurz PEFC.

Bei diesem Prinzipschaltplan seht ihr zum einen die Anode und die Kathode aus elektrisch leitfähigem Material. Dies sind sozusagen die Anschlüsse der Brennstoffzelle, für die Laien unter euch einfach der Minus- und der Pluspol dieses Gerätes. Da wir uns die physikalische Stromrichtung anschauen fließt hierbei der Strom von Minus nach Plus, bei der technischen Stromrichtung betrachtet man immer die Stromrichtung in umgekehrter Reihenfolge. Für uns ist jetzt aber die physikalische Betrachtungsweise relevant. In der Mitte des Bildes seht ihr noch den elektrischen Verbraucher in Form einer Glühlampe und die Membran wo die Protonen und Elektronen von einem Wasserstoffgas getrennt werden. Auf der Seite der Kathode seht ihr auch ein Gas in Form des Sauerstoffs O². Dieses Gas ist sehr reaktiv und verbindet sich mit dem frei gewordenen Proton zu Wasser H²O. Die Spaltung des Wasserstoffgases in Protonen und Elektronen sorgt dafür, dass durch das graue Kabel Elektronen fließen können die dann denn Verbraucher hier die Lampe mit Strom versorgen können.

Als Abfallprodukt kommt einfaches Wasser heraus, keine Abgase oder ähnliches. Und elektrische Wirkungsgrade jenseits von 50-60% sind dadurch möglich (effizienter Dieselmotor um 35%). Klingt doch schonmal sehr vielversprechend !

Vor- und Nachteile der Technologie

Die Brennstoffzelle hat einige sehr interessante Vorteile gegenüber anderen Energieeurzeugern nämlich:

• Es werden direkt aus chemischer Energie elektrische Energie gewonnen ohne umwege über einen Generator wie bei der Photovoltaik
• Die Wirkungsgrade sind mit teilweise über 60% enorm hoch
• Arbeiten schadstofffrei

Auf manchen Seiten steht noch, dass diese Geräte Wartungsarm sind. Dies trifft allerdings nicht so ganz zu wie wir jetzt in den Nachteilen sehen werden.

• extrem Teuer (siehe Bild unten)
• wenig Erfahrung in der Technologie
• Lebensdauer der Zellen ist sehr begrenzt (teilweise unter 10 Jahren)
• hohe technische Anforderungen

Wenn man sich die Kosten einer Brennstoffzellenheizung im Vergleich zu einer konventionellen Ölheizung anschaut wird man schnell merken, dass sich diese Technologie selbst mit massiven Subventionen nicht lohnt. Denn wie wir in dem obigen Bild sehen beziffern sich die Kosten für eine Anlage mit nur lächerlichen 1,5KW Leistung elektrisch auf unfassbare ~30.000€ und da ist noch nicht gesagt ob diese Anlage die 1500Wel als Spitzenleistung oder als Dauerleistung über die gesamte Nutzungsdauer abgibt. Denn so eine Brennstoffzelle brennt auch buchstäblich aus wenn die Elekrolytmembran immer poröser und instabiler wird. Und so ein "Stack" also so ein Paket an Brennstoffzellen ist nicht billig denn häufig müssen Platinmetalle als Elektrolytmembranen eingesetzt werden. Also werden sich die Wartungskosten jenseits von Gut und Böse bewegen. Die Geschichte zeigt auch, dass sehr wenige bis keine Firmen die diese Technologien anbieten überlebt haben und das trotz massiver Subvention durch den Staat.

Wenn man sich nun eine konventionelle Ölheizung ansieht wird man schnell merken, dass diese um einiges günstiger sind und eine viel höhere Wärmeleistung haben. Siehe Link.

Im Automobilbereich sieht die Situation ähnlich aus. Wer sich einen klassischen guten Diesel kauft ist dadurch viel günstiger unterwegs. Im Beispiel Toyota kostet ein aktueller Mirai laut Liste 78.600€ mit 154PS Systemleistung. Was ein klassischer Diesel in diesem Bereich kostet weiß denke ich jeder selbst ...
Und damit nicht genug, schaut man sich die CO² Bilanz eines Brennstoffzellenautos an ist es ähnlich wie mit den Elektrofahrzeugen. Die CO² Bilanz von der Herstellung bis ist um einiges schlechter als bei einem billigen Dieselfahrzeug. Dazu kommt die Erzeugung des Wasserstoffs welches um einiges Energieintensiver ist als Erdöl in Diesel zu verwandeln.

Ausblick

Jede Technologie hat seine Vor- und Nachteile dies ist mir auch bewusst. Nichtsdestotrotz ist die Entwicklung der Verbrennungsmotoren schon extrem weit vorangeschritten und damit kann die Brennstoffzelle einfach nicht mithalten weil zu viele Opfer und Kompromisse eingegangen werden müssen um diese Technologien voranzubringen. Damit meine ich nicht, dass es ausweglos ist, sondern die Technologie muss sich nicht durch erzungene Gelder weiterentwickeln sondern über private Investoren, aber diese haben auch gemerkt dass das Thema Wasserstoff ein Fass ohne Boden ist. Wir sollten uns eher um die Energieerzeugung gedanken machen, welche am Anfang dieser Kette stehen. Wenn wir es schaffen mittels Fusion, Brutreaktoren und Flüssigsalzreaktoren saubere und nachhaltige Energie zu erzeugen können wir über Alternativen im KFZ-Bereich und in der Heizungstechnik nachdenken. Allerdings ist eine Sache sicher, wenn die Regierung den Kurs weiter verfolgt wie wir in jetzt haben werden nicht nur die Energiekosten explodieren, sondern auch die ganze Entwicklung der "sauberen" Energien wird sich massiv verzögern obwohl das ja das Ziel der Regierenden ist. Der Grund ist wie immer die Ineffizienz des Staates, zu Tode regulierte Märkte und die Abwanderung von Know-How und Technologieträgern ins Ausland. Und von diesen selbstinduzierten Auswirkungen seitens des Staates werden wir uns wenn überhaupt, nur sehr schwer erholen.

Translation:

What's it about ?

Due to the forced energy change on the part of the state, industry and the economy have to adjust to considerable cuts. To meet the unrealistic goals of the EU, scientists and engineers are looking for ways to reduce CO² emissions from vehicles and industrial plants. The developers want to achieve this with the fuel cell, that's what this blog post is about.

The history of the fuel cell

As early as 1838, Christian Friedrich Schönbein discovered the principle of a fuel cell when he washed two platinum wires in diluted sulphuric acid with hydrogen or oxygen and noticed an electrical voltage between the wires. However, the galvanic gas battery fell into oblivion again when Werner von Siemens invented the electric generator. It was not until the 1950s that the idea of fuel cells came up again because compact energy generators were needed for the Apollo missions and the fuel cell turned out to be practicable. Since then, the fuel cell has been in constant development and the forced renunciation of fossil fuels has also led to subsidized research in this area (you'll see why I argue so derogatorily later).[1]

Structure of the fuel cell

Shown below is the principle structure of a normal polymer electrolyte fuel cell, PEFC for short.

In this schematic you can see the anode and the cathode made of electrically conductive material. These are, so to speak, the connections of the fuel cell, for the laymen among you simply the minus and the plus pole of this device. Since we look at the physical current direction, the current flows from minus to plus, with the technical current direction one always looks at the current direction in reverse order. For us, however, the physical approach is now relevant. In the middle of the picture you can still see the electric consumer in the form of a light bulb and the membrane where the protons and electrons are separated from a hydrogen gas. On the side of the cathode you can also see a gas in the form of oxygen O². This gas is very reactive and combines with the released proton to water H²O. The splitting of the hydrogen gas into protons and electrons ensures that electrons can flow through the grey cable and supply the lamp with electricity.

The waste product is simple water, no exhaust gases or the like. And electrical efficiencies beyond 50-60% are thus possible (efficient diesel engine by 35%). Sounds very promising !

Advantages and disadvantages of the technology

The fuel cell has some very interesting advantages over other energy generators namely:

• Electrical energy is obtained directly from chemical energy without the need for a generator, as in the case of photovoltaics.
• The efficiencies are enormously high with partly over 60%.
• Work free of pollutants

On some pages it still says that these devices are low-maintenance. However, this is not as true as we will see in the disadvantages.

• extremely expensive (see picture below)
• little experience in technology
• Life span of the cells is very limited (sometimes less than 10 years)
• high technical requirements

If you look at the costs of a fuel cell heating system compared to a conventional oil heating system, you will soon notice that this technology is not worthwhile even with massive subsidies. Because as we see in the picture above the costs for a plant with only ridiculous 1500Wel achievement number electrically on incomprehensible 30.000€ and there is not yet said whether this plant delivers the 1500Wel as peak achievement or as continuous achievement over the entire useful life. Because such a fuel cell burns out also literally when the electrolyte membrane becomes more and more porous and unstable. And such a stack is not cheap because platinum metals often have to be used as electrolyte membranes. So the maintenance costs will be beyond good and evil. History also shows that very few to no companies offering these technologies have survived despite massive government subsidies.

If you now look at a conventional oil heating you will soon notice that they are much cheaper and have a much higher heat output. See link

The situation is similar in the automotive sector. Who buys a classic good diesel is thereby much cheaper on the road. In the example Toyota costs a current Mirai according to list 78.600€ with 154PS system achievement. What a classic diesel costs in this area I think everyone knows ...
And thus not enough, one looks at the CO² balance of a fuel cell car it is similar as with the electric vehicles. The CO² balance from the production to is much worse than with a cheap diesel vehicle. Added to this is the production of hydrogen, which is much more energy-intensive than oil to turn into diesel.

Outlook

Every technology has its advantages and disadvantages - I am well aware of that. Nevertheless, the development of combustion engines is already extremely advanced and the fuel cell simply cannot keep up with this because too many sacrifices and compromises have to be made to advance these technologies. By this I don't mean that it's hopeless, but that the technology doesn't have to evolve through the use of money but through private investors, but they have also noticed that the subject of hydrogen is a bottomless pit. We should rather think about energy production, which is at the beginning of this chain. If we manage to generate clean and sustainable energy by means of fusion, breeder reactors and liquid salt reactors, we can think about alternatives in the automotive sector and in heating technology. However, one thing is certain, if the government continues to pursue the course we have now, not only the energy costs will explode, but also the whole development of the "clean" energies will be massively delayed although that is the goal of those in power. The reason, as always, is the inefficiency of the state, markets regulated to death and the migration of know-how and technology carriers abroad. And it will be very difficult, if not impossible, for us to recover from these self-induced effects on the part of the state.

Kind regards

The Libertarian