Klimaneutralität : die Wasserstoff-Brennstoffzelle
Wasserstoff ist ein wichtiger Bestandteil der strategischen Planungen für den Energiesektor durch politische Initiativen wie den European Green Deal, der darauf abzielt, auf dem Kontinent eine ausreichende Zahl von Elektrolyseuren zu installieren, um bis 2030 10 Mio. Tonnen erneuerbaren Wasserstoff zu produzieren. In Frankreich stellt die Regierung bis 2030 €7,2 Mrd. für Wasserstoffprojekte bereit, von denen bis 2022 bis zu €2 Mrd. investiert werden sollen.
Das Verkehrswesen ist einer der Sektoren, die sich im Zuge der Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energie in einem radikalen Umbruch befinden. Die Entwicklung geht weg von umweltbelastenden Verbrennungsmotoren (ICE) hin zu alternativen Antrieben. Zu diesen Technologien gehört die Wasserstoff-Brennstoffzelle, die Autos und Schiffe ebenso antreiben kann wie Lkws, Züge, Drohnen und Flugzeuge. Sie soll, ergänzend zu batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV), zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors beitragen.
Warum ist Wasserstoff eine attraktive Alternative zu fossilen Brennstoffen? Zunächst ist Wasserstoff das häufigste Element im Universum und daher unbegrenzt verfügbar. Auf der Erde kommt Wasserstoff hauptsächlich in Wasser, aber auch in anderen Verbindungen wie Methan vor. Durch Separieren muss reiner Wasserstoff (H2) gewonnen werden, den man dann in Wasserstoff-Brennstoffzellen für Fahrzeuge (FCEV) nutzen kann. Bei der Energieerzeugung durch die Reaktion von Wasserstoff entsteht als chemisches Nebenprodukt H2O – gewöhnliches Wasser – und nicht Kohlendioxid. Somit ist Wasserstoff eine relativ saubere Energiequelle.
Allerdings ist das Extrahieren von Wasserstoff mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Das gebräuchlichste Extraktionsverfahren – die Dampfreformierung von Erdgas – ist ein umweltbelastendes Verfahren, bei dem CO2 als Nebenprodukt freigesetzt wird. Dieser “graue” Wasserstoff ist für das Erreichen der Klimaziele nicht hilfreich. Es gibt Verfahren zum Abscheiden von CO2 und, noch besser, zum Extrahieren von Wasserstoff unter Einsatz von “grünen” Energiequellen, die kein Kohlendioxid freisetzen. Wenn die für diesen Prozess eingesetzte Energie selbst aus erneuerbaren Quellen, wie Sonne, Wind oder Wasserkraft stammt, gilt auch der gewonnene Wasserstoff als erneuerbar.
Was ist nun eine Wasserstoff-Brennstoffzelle, und wie funktioniert sie? Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, die Antriebsenergie in Form von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion (von Wasserstoff und Sauerstoff) erzeugt, und nicht durch Verbrennung (von Kraftstoff in einem herkömmlichen Benzin- oder Dieselmotor). Die gebräuchlichste Art von Brennstoffzelle für Fahrzeuge nutzt eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), die Gas in dünnen Schichten diffundiert, um die gleichmäßige Verteilung von Wasserstoff und Sauerstoff sicherzustellen. Durch das Stapeln von Zellen wird eine höhere Spannung und Leistung erzielt.
Das U.S. Department of Energy Efficiency & Renewable Energy (EERE) beschreibt die Funktionsweise einer Brennstoffzelle folgendermaßen : “Brennstoffzellen funktionieren wie Batterien, können sich aber nicht entladen und müssen nicht wieder aufgeladen werden. Sie erzeugen Elektrizität und Wärme solange Kraftstoff zugeführt wird. Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden — einer negativen Elektrode (oder Anode) und einer positiven Elektrode (oder Kathode) — zwischen denen ein Elektrolyt eingebettet ist. Es erfolgt gleichzeitig die Zufuhr eines Kraftstoffs, z.B. Wasserstoff, zur Anode und von Luft zur Kathode. In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle trennt ein Katalysator die Wasserstoffmoleküle in Protonen und Elektronen, die auf unterschiedlichen Wegen zur Kathode gelangen. Die Elektronen durchlaufen einen externen Kreislauf und erzeugen dabei einen Elektrizitätsfluss. Die Protonen durchwandern das Elektrolyt hin zur Kathode, wo sie sich mit Sauerstoff und den Elektronen verbinden, und Wasser und Wärme erzeugen.”
Wie lässt sich die Effizienz einer Brennstoffzelle steigern? Neben Temperatur und Feuchtigkeit können Konzentration, Reinheit und Druck des Wasserstoffs im Inneren einer Brennstoffzelle deren Leistung beeinflussen. Um die Effizienz zu steigern und eine konstante Energieausbeute zu gewährleisten, wird in der Regel mittels eines Kühlverfahrens, bei dem man eine Flüssigkeit oder Luft zwischen die einzelnen Brennstoffzellen leitet, überschüssige Wärme abgeleitet. Indem man so die Feuchtigkeit der Zelle regelt, stellt man deren optimale Leistung sicher. Zum Konstanthalten der Temperatur benötigt man ein robustes Dichtungssystem.
Flüssig-Silikon-Gummi (LSR) dient als hochpräzises Dichtmaterial für Wasserstoff-Brennstoffzellen, da man mit ihm die dünne Plattenstruktur aus Metall, Kunststoff oder Verbundmaterial direkt umspritzen kann. Das Material besitzt ein exzellentes Eigenschaftsspektrum was Haftung, Flexibilität, Undurchlässigkeit und Druckverformungsrest betrifft. Da LSR extrem temperaturbeständig ist, dehnt es sich bei hohen Temperaturen nicht aus und wird bei niedrigen Temperaturen nicht steif. Als chemisch inertes Material besitzt LSR eine gute Chemikalien- und UV-Beständigkeit, und eignet sich daher für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Umspritzte Dichtungen werden direkt an der Gasdiffusionsmembran angebracht und können in kompakten Zellenstapeln verbaut werden. Das Ergebnis ist eine zuverlässige Energiequelle, die Gewicht und Platz spart, und nicht nur extrem leckagesicher, sondern auch doppelt so effizient ist wie ein Verbrennungsmotor.
Hier bei Acaplast verfolgen wir die Entwicklungen im Wasserstoff-Mobilitätssektor und freuen uns darauf, Ihre Projekte mit Ihnen zu besprechen. Wenn Sie mehr Informationen über die LSR-Dichtung von Acaplast für Wasserstoff-Brennstoffzellen wünschen, oder Ihre Entwicklungsidee mit uns besprechen möchten, bitte kontaktieren Sie uns.
Weitergehende Informationen über die Bestandteile der Brennstoffzelle und deren Funktion finden Sie auf der EERE-Webseite unter : https://www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cell-animation-text-version