Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

  • Lektion 2

    • Brennstoffzellen und Elektrolyse

      Herausforderungen durch Umstellung auf Erneuerbare Energien

       

       

      Die Potenziale des Ausbaus der Energiespeicherung durch Galvanische Zellen und Pumpspeicherkraftwerke sind für die derzeitigen Bedarfe nicht ausreichend. Daher wird im Moment die Überführung von elektrischer Energie in chemische Energie favorisiert. Dabei ist die Gewinnung von grünem Wasserstoff (H2), derzeit die favorisierte Variante. Wasserstoff kann in Tanks gespeichert werden und dann mittels Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt werden.

      Brennstoffzelle

      Prinzipiell wandelt eine Brennstoffzelle chemische Energie in elektrische Energie um. Dabei wird der Elektronenfluss einer chemischen Redox-Reaktion umgeleitet. Es sind verschiedene chemische Reaktionen dazu geeignet in einer Brennstoffzelle genutzt zu werden, überwiegend wird derzeit aber die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser genutzt.

      2 H2 + O2 -> 2 H2O

      Dafür werden mit Hilfe verschiedener Schichten und Membranen Teilbereiche in der Zelle geschaffen. Die Reaktion, die auch als Knallgasreaktion bekannt ist, würde sonst in einer Art Explosion stattfinden und die Energie in Wärme frei werden.

      Der Molekulare Wasserstoff (H2) zerfällt an einer Katalyse-Membran zu Protonen (H+), wobei er Elektronen an die Anode abgibt, die mit der Kathode verbunden ist. Die Protonen sind kleiner als der Wasserstoff und können durch eine Elektrolyt-haltige Membran diffundieren, wo der Sauerstoff vorhanden ist. Der Sauerstoff nimmt Elektronen von der Kathode und reagiert mit den Protonen zu Wasser. Durch die Aufnahme der Elektronen durch den Sauerstoff und die vorherige Abgabe der Elektronen durch den Wasserstoff wird ein Stromfluss erzeugt, der als elektrische Energie nutzbar ist.

      Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen, die sich vor allem in der Zusammensetzung ihres Elektrolyts unterscheiden:




      Funktion einer Brennstoffzelle

      Im folgenden Video wird noch einmal bildlich erläutert, wie eine Brennstoffzelle funktioniert:

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    • Gewinnung von Wasserstoff
      Wasserstoff kann auf verschiedene Arten gewonnen werden. Der Wasserstoff wird nach seiner Gewinnungsart mit Farben benannt:

      Grauer Wasserstoff wird mit Hilfe von Hitze, Druck und Katalysatoren aus fossilen Rohstoffen erzeugt. Dabei wird Kohlenstoffmonoxid gebildet, dass in einem weiteren Schritt zu CO2 umgesetzt wird. 

      Grüner Wasserstoff wird mittels Wasser-Elektrolyse durch die Nutzung eines Elektrolyseurs gewonnen. Vereinfacht gesagt ist dies eine Umkehrung des Prinzips der Brennstoffzelle. Der Elektrolyseur ist eine Zelle an die ein Strom angelegt wird. Hier wird die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, indem Wasser aufgespalten wird. Durch den Stromfluss werden auf den Wasserstoff Elektronen übertragen, wodurch er zu gasförmigem, molekularem Wasserstoff wird. An der Kathode werden dem Sauerstoff Elektronen entzogen, wodurch dieser zu gasförmigem, molekularem Sauerstoff (O2) wird.

      Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff bei dem das CO2 mittels Carbon Capture and Storage (CCS) gespeichert wird.

      Türkiser Wasserstoff wird mittels Pyrolyse aus Kohlewasserstoffen gewonnen. Die Kohlenwasserstoffe können dabei auch Pflanzenbestandteile oder Abfälle sein.


      Elektrolyse

      Im folgenden Video wird noch einmal bildlich die Elektrolyse erläutert:

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      Auch von der Elektrolyse gibt es wieder technische Varianten, die sich in dem Aufbau der Elektrolyse-Zellen unterscheiden. U.a. gibt es verschiedene Membrantypen, die Kathode und Anode trennen. Die Elektrolyse hat einen Wirkungsgrad von mindestens 65%. Ein Teil der als Strom eingesetzten Energie geht als Wärme verloren.
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