Für Autos werden Brennstoffzellen seit Jahren diskutiert. Bei der Stromversorgung werden sie als Alternative zu Dieselgeneratoren häufig eingesetzt. Aber was ist eigentlich eine Brennstoffzelle? Wie funktioniert sie? Und in welchen Feldern werden Brennstoffzellen bereits verwendet?

1. Wofür eignen sich Brennstoffzellen?

2. Einfach erklärt: Funktionsweise von Brennstoffzellen

• Aufbau und Prinzip
• Leistung, Effizienz und Lebensdauer
• Brennstoffzellen-Technologie und Arten von Brennstoffzellen

3. Brennstoffzelle Vorteile und Nachteile

• Vergleich: Brennstoffzelle vs Batterie
• Vergleich: Brennstoffzelle vs Dieselgenerator

4. Anwendungsgebiete der Brennstoffzelle

• Off-Grid, Notstrom und Hausenergie: Brennstoffzellen in stationären Anwendungen
• Autos und Fahrzeuge: Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen

5. Brennstoffzelle mit Methanol

Wofür eignen sich Brennstoffzellen?

Eine Brennstoffzelle ist eine Anlage, die durch den Einsatz eines Brennstoffs elektrische und thermische Energie erzeugt. Von außen betrachtet, unterscheiden sich Brennstoffzellen kaum von Wärmekraftmaschinen, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren. Im Unterschied zu einem Verbrennungsmotor wird der Brennstoff in der Brennstoffzelle nicht verbrannt, sondern mithilfe einer chemischen Reaktion in Strom und Wärme gewandelt.

Heutzutage werden Brennstoffzellen insbesondere zur Stromversorgung eingesetzt. Einer der Vorteile ist ihr emissionsfreier Betrieb – dadurch dienen sie als umweltfreundliche Alternative zum Verbrennungsmotor. Ein weiterer Vorteil ist, dass die entstehende Abwärme sehr einfach zum Heizen verwendet werden kann.

Brennstoffzellen sind auch in der Mobilität sinnvoll einsetzbar. Vorteilhaft im Fahrzeug ist einerseits die hohe Energiedichte und andererseits die Möglichkeit, Brennstoff schnell nachfüllen zu können. Im Nutzfahrzeugbereich sind Brennstoffzellen ein essenzieller Bestandteil zukünftiger Mobilität – nicht als Alternative, sondern im Zusammenspiel mit Batterien.

Einfach erklärt: Funktionsweise von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische Energie (und Wärme) um. Dieser Vorgang wird als elektrochemische Reaktion bezeichnet. Brennstoffzellen sind folglich keine Energiespeicher, sondern Energiewandler.

Aufbau und Prinzip

Jede Brennstoffzelle besteht aus 2 Elektroden (Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Elektroden sind leitfähig für Elektronen, während der Elektrolyt lediglich für eine bestimmte Ionensorte (elektrisch geladene Atome) durchlässig ist. Im Schaubild sind Aufbau und Funktion anhand einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle dargestellt:

Funktionsweise einer Brennstoffzelle – Schematische Darstellung

1. Als Brennstoff wird Wasserstoff (H₂) der Anode zugeführt. Dieser wird in positiv geladene Wasserstoff-Protonen (H⁺) und negativ geladene Elektronen (e^–) getrennt.

Reaktion an der Anoden-Seite

2. An der Kathode wird Sauerstoff (O₂) zugeführt. Dieser stammt meist aus der Umgebungsluft.

Reaktion an der Kathoden-Seite

3. Sowohl Wasserstoff-Protonen (H⁺) als auch Elektronen (e^–) wandern zur Kathode, wo sie mit dem zugeführten Sauerstoff (O₂) zu Wasser (H₂O) reagieren.

Der Elektrolyt hindert die freigesetzten Elektronen (e^–) daran, auf direktem Weg zur Kathode zu gelangen. Die Elektronen (e^–) werden folglich gezwungen, über einen externen Leiter zu fließen. Wird eine Last (bspw. eine Glühbirne) in den elektrischen Kreis integriert, geben die Elektronen elektrische Energie ab.

Je nach Betriebspunkt liefert eine einzelne Zelle eine spezifische Spannung. Diese liegt in der Regel zwischen 0,5 – 1,0 Volt. Für höhere Spannungen werden einzelne Zellen in Reihe geschaltet. Man erhält einen sogenannten Stapel oder Stack als Kernelement der Brennstoffzelle.

Leistung, Effizienz und Lebensdauer

Faktoren wie Leistung, Effizienz und Lebensdauer hängen maßgeblich vom verwendeten Brennstoff und der Art der eingesetzten Brennstoffzelle ab. Generell besteht ein Zusammenhang zwischen Größe des Brennstoffzellenstapels und Leistung.

Brennstoffzelle: Zusammenhang Kapazität und Leistung

Die Kapazität einer Brennstoffzelle kann über den externen Tank angepasst werden. Kapazität und Leistung einer Brennstoffzelle sind unabhängig voneinander.

Obwohl in den meisten Brennstoffzellen Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert, gibt es Unterscheide im Aufbau. Generell werden Brennstoffzellen anhand des verwendeten Elektrolyten eingeteilt. Der Elektrolyt bestimmt die Betriebstemperatur und andere Eigenschaften der Zelle.

Mit steigender Betriebstemperatur erhöht sich einerseits die Toleranz gegenüber Verunreinigungen (beispielsweise Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid). Andererseits steigen zeitgleich die Anforderungen an die Systemtechnik und das verwendete Material sowie die benötigte Zeit zum Starten.

Eine Übersicht über die wichtigsten Betriebsparameter und Arten von Brennstoffzellen findet sich im folgenden Abschnitt.

Brennstoffzellen-Technologie und Arten von Brennstoffzellen

Vergleich unterschiedlicher Arten von Brennstoffzellen

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Übrigens: der Prozess einer Brennstoffzelle lässt sich auch umkehren. So kann Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Der Prozess wird als Elektrolyse bezeichnet.

Brennstoffzelle Vor- und Nachteile

Als Energiewandler sind Brennstoffzellen effizient und umweltfreundlich. Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren sind sie aber auch deutlich teurer. Im Zusammenspiel mit Batterien werden hohe Leistung und hohe Energiedichte optimal kombiniert.

Brennstoffzelle vs. Dieselgenerator

In einem Dieselgenerator wird durch das Verbrennen eines Kraftstoffes Wärme erzeugt. Die Wärme wird in Bewegung (mechanische Energie) und letztendlich in elektrische Energie umgewandelt. Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie vom Brennstoff direkt in elektrische Energie um. Dadurch arbeiten sie deutlich effizienter:

Brennstoffzelle und Verbrennungsmotor im Vergleich

Im Gegensatz zur herkömmlichen Verbrennung von Kraftstoffen wird weder Feinstaub noch Stickoxide freigesetzt. Da Brennstoffzellen im Grundaufbau keine beweglichen Teile besitzen, arbeiten sie geräuschlos und sind wartungsarm.

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen vs. Dieselgeneratoren

Allerdings wird eine weite Verbreitung von Brennstoffzellen derzeit noch durch hohe Investitionskosten eingeschränkt. Zudem arbeiten Brennstoffzellen mit Wasserstoff besonders effizient. Grüner Wasserstoff ist aber bislang kaum verfügbar und hat – bezogen auf das Volumen – im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen eine relativ geringe Energiedichte. Das erschwert die Kraftstoffversorgung vor allem in abgelegenen Gebieten.

Energiedichte verschiedener Brennstoffe

Als Lösung kommen flüssige Wasserstoffspeicher wie beispielsweise Methanol in Betracht. Deren Energiedichte ist zwar geringer als die von Diesel oder Benzin: Durch die hohe Effizienz der Brennstoffzelle wird aber trotzdem häufig ein reduzierter Kraftstoffverbrauch erreicht. Anders als Diesel und Benzin kann Methanol sehr einfach aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden.

Mehr zum Thema Methanol

Brennstoffzelle vs. Batterie

Bei Brennstoffzellen wird Energie nicht im Innern der Zelle gespeichert, sondern extern über den Brennstoff zugeführt. Während Batterien bei großer Kapazität schwer und sperrig sind, kann die Kapazität einer Brennstoffzelle einfach über den externen Tank angepasst werden.

Der Zusammenhang zwischen Kapazität und Gewicht lässt sich bei batteriebetriebenen Elektroautos beobachten: Für eine große Reichweite müssen möglichst viele Batterien verbaut werden. Diese bedeuten zusätzliches Gewicht für das Fahrzeug, was wiederum die Reichweite einschränkt.

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen vs. Batterien

Auf der anderen Seite sind Brennstoffzellen derzeit noch mit hohen Kosten verbunden – vor allem bei hohen Leistungen. Die Versorgung mit Wasserstoff ist meist schwierig. Eine Lösung versprechen erneuerbare Kraftstoffe wie Methanol, in denen Wasserstoff in flüssiger Form gespeichert werden kann.

Anstatt Brennstoffzellen und Batterien abgegrenzt zu betrachten, wird mittlerweile der Schritt zur Kombination beider Technologien gegangen. In sogenannten Hybridsystemen arbeiten Brennstoffzelle und Batterie in Symbiose. Dabei wird die hohe Leistungsdichte von Batterien mit der hohen Energiedichte des verwendeten Brennstoffs kombiniert.

Anwendungsgebiete der Brennstoffzelle

Die ersten Anwendungen von Brennstoffzellen gehen auf Raumfahrt und Militär zurück. Während Kosten kaum eine Rolle spielten, stand der technologische Vorteil der hohen Energiedichte und des leisen Betriebs im Vordergrund.

Meist werden Einsatzgebiete in portable, mobile und stationäre Anwendungen untergliedert. Aufgrund fortgeschrittener Batterietechnik sind Brennstoffzellen bei der portablen Versorgung von elektrischen Kleinverbrauchern (Laptops, Kameras, …) kaum noch von Bedeutung.

Off-Grid, Notstrom und Hausenergie: Brennstoffzellen in stationären Anwendungen

Stationäre Anwendungen umfassen Systeme zur durchgehenden Energieversorgung, Notstromanwendungen, aber auch der kombinierten Gewinnung von Wärme und Strom. Aufgrund des wartungsarmen und emissionsfreien Betriebs stellen Brennstoffzellen in einigen Bereichen bereits eine wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen Generatoren dar.

Bei der Hausenergieversorgung erzeugen Brennstoffzellen-Heizgeräte zeitgleich Wärme und Strom. In Kleinanlagen kommen meist PEMFCs, sowie SOFCs zum Einsatz. Als Brennstoff wird Wasserstoff verwendet. Dieser wird vor Ort durch Reformierung von Erdgas gewonnen.

Im Gegensatz zu Privathäusern haben Industriebtriebe, Hotels und Krankenhäuser einen deutlich erhöhten Energiebedarf. Dieser kann durch brennstoffzellenbetriebene Blockheizkraftwerke (BHKW) befriedigt werden, die aufgrund ihres besseren Wirkungsgrads das Potential haben, motorbetriebene Anlagen nach und nach ersetzen.  Verwendet werden überwiegend MCFCs und SOFCs, die bei hohen Temperaturen mit Erdgas betrieben werden.

Stationäres Brennstoffzellensystem in einem Bürocontainer (Foto: Stefan Stark)

Bei der Notstromversorgung verbinden Brennstoffzellen die Vorteile von Batterie- und Diesellösungen. Je nach Brennstoff erfolgt die Versorgung emissionsfrei.  Durch beliebige Dimensionierung des Kraftstofftanks können auch lange Ausfallzeiten überbrückt werden. Durch geringe Wartungskosten rechnet sich die Investition im Vergleich zu Dieselaggregaten meist nach wenigen Jahren.

Bei der netzfernen Stromversorgung – auch Off-Grid genannt – werden Brennstoffzellensysteme häufig kommerziell genutzt. In Kombination mit Photovoltaik eignen sich Brennstoffzellen zur Überbrückung von Versorgungslücken bei autarker Stromversorgung. So liefern Systeme beispielsweise Energie für Berghütten.

Im industriellen Umfeld kommen PEMFCs und DMFCs in der Sicherheits- und Überwachungstechnik, bei Messstationen und in der Telekommunikation zum Einsatz. Da Systeme oftmals transportabel bleiben, verschwimmt die Abgrenzung zwischen stationären und mobilen Systemen zunehmend.

Autos und Fahrzeuge: Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen

Mobile Anwendungen von Brennstoffzellen umfassen den Antrieb von Fahrzeugen, aber auch die Bordstromversorgung. Oftmals kommen PEMFCs zur Anwendung. Bei niedrigen Temperaturen können diese flexibel betrieben und häufig an- und ausgeschaltet werden. Da der Antriebsstrang stets elektrisch ist, sind auch Brennstoffzellen-Autos per Definition Elektrofahrzeuge.

Aufgrund des oben beschriebenen Zusammenhangs zwischen Kapazität und Gewicht, lässt sich bei batteriebetriebenen Elektroautos eine große Reichweite nur mit schwerer und sperriger Batterietechnik erreichen. Zusatzgewicht in Form von Batterien verringert wiederum die Reichweite.

Brennstoffzelle als Range Extender (Foto: Dino Eisele)

Um dieses Problem zu lösen, werden Brennstoffzellen auch als Range Extender in batteriebetriebene Fahrzeugen eingebaut. Anstatt die vom Antrieb benötigte Energie ausschließlich über die Batterie zur Verfügung zu stellen, wandelt die Brennstoffzelle die im Brennstoff gespeicherte Energie auf langen Strecken in elektrischen Strom um.

Da der Brennstoff eine höhere Energiedichte als die Batterie hat, ist dies mit einer deutlichen Gewichts- und Platzeinsparung verbunden. Zudem kann Energie einfach nachgetankt werden.

Als Auxiliary Power Unit (APU) bieten Brennstoffzellen die Möglichkeit, Strom an Bord unabhängig von der Antriebsbatterie bereitzustellen. Brennstoffzellen kommen deshalb im Nutzfahrzeugbereich, etwa bei der Elektrifizierung von Kühlfahrzeugen zum Einsatz.

Darüber hinaus kann die anfallende Abwärme das Fahrzeug beheizen, ohne die Batterie zu belasten. Auch hier liegt der Vorteil in der hohen Energiedichte und der schnellen Nachfüllmöglichkeit des Brennstoffs.

Brennstoffzelle mit Methanol

Vor allem hinsichtlich seiner energetischen Dichte und der einfachen Logistik ist Methanol ein interessanter Brennstoff. Im Hinblick auf dessen Nutzung in Brennstoffzellen lassen sich zwei Funktionsweisen unterscheiden: Brennstoffzellen, die Methanol direkt und solche, die Methanol indirekt verwenden.

Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) führen an der Anoden-Seite ein Methanol-Wasser-Gemisch zu. Mit 20-30% ist ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen relativ gering. Ihr Einsatzfeld liegt meist in der Versorgung kleinerer Geräte im Freizeitbereich.

Brennstoffzellen, die Methanol indirekt verwenden, benötigen einen Reformer um den in Methanol enthaltenen Wasserstoff zu lösen. Das passiert bei 200 – 220°C. An der Anode wird somit kein wässriges Methanol, sondern gasförmiger Wasserstoff zugeführt. Methanol dient lediglich als flüssiger Wasserstoffträger.

Mehr über SIQENS Brennstoffzellen erfahren.

Brennstoffzellen eignen sich heute zunehmend für den Ersatz von Dieselgeneratoren. Das hat nicht nur für den Klimaschutz und die Emissionsbilanz klare Vorteile, sondern auch bei Handhabung, Lautstärke und Flexibilität. Aber eignen sich Brennstoffzellen auch im Katastrophenfall?

Hochwasser- und Flutsituationen wie die im Sommer 2021 in Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz werden nach Einschätzung der Klimaforscher häufiger vorkommen. Noch ist es beinahe selbstverständlich, im Katastrophenfall klimaschädliche und laute Diesel-Generatoren einzusetzen, um die Wiederherstellung der Energie- und Mobilfunkversorgung zu ermöglichen. Aber mittelfristig muss das angesichts des wachsenden Drucks zur Emissionsreduzierung zwingend geändert werden.

Dieselpest: große Herausforderung für konventionelle Generatoren

Im Jahr 2015 traf das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik in einer Analyse für Netzersatzanlagen klare Aussagen: Fast 60 Prozent der entsprechenden Anlagen ist der der gelagerte Brennstoff nicht mehr verwendbar. Denn: Diesel der Norm DIN 590 wird laut Biokraftstoffgesetz mit sieben Prozent Fettsäuremethylester veredelt. Aber dieses Gemisch ist für einen Verbrauch innerhalb von 90 Tagen ausgelegt. Bedeutet: Der Kraftstoff ist nicht langzeitstabil, kann die entsprechenden Aggregate in vielen Fällen nicht mehr antreiben.

Brennstoffzellen könnten auch deshalb sinnvolle Alternativen sein: In Kombination mit erneuerbaren Energien und Batteriespeichern bringen sie viele Vorteile mit: Sie sind leiser, je nach Art emissions- und wartungsarm und ideal für die netzferne Stromversorgung geeignet. Und Kraftstoff wie etwa Methanol ist langzeitstabil, kann auch nach vielen Monaten Lagerung problemlos eingesetzt werden. Außerdem ist Methanol mit Gewerbeschein problemlos in Chemikalienhandlungen erhältlich.

Kleine Brennstoffzellen wie etwa der Ecoport von SIQENS nutzen Methanol, und wandeln diese chemische Energie direkt in Strom um. Ein solcher Energieerzeuger liefert je nach Konfiguration bis zu 1.500 Watt pro Modul, und kann transportable Batteriespeicher laden. Mehrere Module können parallel geschaltet werden, wodurch auch höhere Leistungen von mehreren Kilowatt erreicht werden. Die SIQENS-Brennstoffzelle nutzt den hohen Wasserstoffanteil im Methanol, um mit Wirkungsgraden von mehr als 40 Prozent Strom herzustellen.

Zusätzlich können Solarmodule für die Stromerzeugung am Tag zum Mini-Netz hinzugefügt werden. Aus der Batterie heraus können dann Anlagen im Katastrophengebiet wie etwa IT-Infrastruktur oder Basisstationen für die Mobilfunk-Versorgung kontinuierlich mit Energie versorgt werden.

Reduzierung der Treibhausgasemissionen um über 60%

Diesel-Generatoren, das ist einer der Nachteile, laufen meistens nicht am sogenannten optimalen Betriebspunkt. Dadurch verbrauchen sie teilweise viel Kraftstoff. Brennstoffzellen, die mit konstanter Dauerleistung die Pufferbatterie aufladen, hingegen benötigen deutlich weniger Kraftstoff, obwohl die Energiedichte des Diesels – aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts – höher ist.

Auch beim Kohlendioxid unterscheiden sich Diesel-Aggregatoren und Brennstoffzellen erheblich: Pro verbrauchtem Liter Diesel entstehen zirka 2,6 Kilogramm CO2. Bei Methanol hingegen sind es 60 Prozent weniger, sollte die Flüssigkeit fossil erzeugt worden sein. Grundsätzlich emittieren Brennstoffzellen keine Schadstoffe wie Feinstaub oder Stickoxide.

Dabei eignet sich Methanol gerade in netzfernen Anlagen besonders als Brennstoff – zwar wird der flüssige Alkohol bisher noch vor allem aus fossilen Quellen hergestellt, die Umstellung auf erneuerbares Methanol hat aber bereits begonnen. Im Vergleich etwa zu Wasserstoff ist Methanol sehr einfach handelbar, kann in kleinen Tanks oder Kanistern unkompliziert transportiert werden. Es ist gut lagerbar und etwa in Chemikalienhandlungen mit Gewerbeschein problemlos zu kaufen.

All diese Vorteile zeigen: Dieselaggregate sind zwar im Katastrophenfall und für die Versorgung kritischer Infrastrukturen heute noch der Standard, immer mehr Anwender entscheiden sich aber für die umweltfreundlichen Alternativen. Damit kritische Infrastrukturen auch in Zukunft geschützt und im Katastrophenfall rasch die lebensnotwendige Energieversorgung vorhanden ist.

Bestes Bespiel in extremen Umweltbedingungen: Der Katastrophenschutz des Landes Tirol.

Als saubere Alternative zu Verbrennungsmotoren mit fossilen Kraftstoffen gewinnen Brennstoffzellen zunehmend an Bedeutung. Dabei liegt der Fokus überwiegend auf dem Betrieb mit gasförmigem Wasserstoff. Es gibt allerdings auch alternative Ansätze: einer davon ist die Methanol-Brennstoffzelle.

1. Aufbau und Funktion einer Methanol-Brennstoffzelle

2. Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)

• Aufbau, Prinzip und Funktionsweise
• Anwendungen
• Vor- und Nachteile

3. Indirekte Methanol-Brennstoffzelle (RMFC)

• Aufbau, Prinzip und Funktionsweise
• Anwendungen
• Vor- und Nachteile

4. Vorteile von Methanol für Brennstoffzellen

Aufbau und Funktion einer Methanol-Brennstoffzelle

Wie alle Brennstoffzellen bestehen auch Methanol-Brennstoffzellen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Elektroden sind leitfähig für Elektronen, während der Elektrolyt lediglich für eine bestimmte Ionensorte (elektrisch geladene Atome) durchlässig ist.

In der Regel basieren Methanol-Brennstoffzellensysteme auf einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM). Hinsichtlich Aufbau lassen sich zwei Funktionsweisen unterscheiden: Brennstoffzellen, die Methanol direkt und solche, die Methanol indirekt verwenden.

Mehr zu den unterschiedlichen Typen von Brennstoffzellen

Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)

Direktmethanol-Brennstoffzellen (Direct Methanol Fuel Cell kurz DMFC) sind die bekannteste Form der Methanol-Brennstoffzelle. Im Vergleich zu anderen Methanol-Brennstoffzellen zeichnen sie sich durch einen einfachen Systemaufbau und schnelle Startzeiten aus. Die Leistung ist meist auf Die Leistung ist meist auf < 200 Watt begrenzt.

Aufbau, Prinzip und Funktionsweise

DMFCs führen an der Anoden-Seite ein Methanol-Wasser-Gemisch zu. Dieses wird in Wasserstoff und Kohlendioxid gespalten. Ein Katalysator (Platin) teilt die Wasserstoff-Moleküle in positiv geladene Wasserstoff-Atome (Protonen).

Durch den Elektrolyten (eine Protonen-Austausch-Membran) wandern die Wasserstoff-Protonen zur Kathode und reagieren mit zugeführtem Sauerstoff zu Wasser. Der Prozess geschieht bei einer vergleichsweise geringen Zelltemperatur von 70 bis 90°C, wodurch schnell Starts möglich sind.

Prinzip und Aufbau einer Direkt-Methanolbrennstoffzelle (DMFC) 

Anwendungen

DMFCs kommen sowohl gewerblich, als auch im privaten Gerbrauch zum Einsatz. Zu den Anwendungsfeldern zählen abgelegene Messstationen, Videoüberwachungsanlagen oder kleinere elektrische Anlagen in der Verkehrstechnik – meist mit einer geforderten Leistung unter 150 Watt. Im Freizeitbereich dienen DMFC zur Bordstromversorgung bei Wohnmobilen und Schiffen.

Vor- und Nachteile

Neben den generellen Vorteilen von Brennstoffzellen gegenüber konventionellen Verbrennungsmotoren zeichnen sich Direktmethanol-Brennstoffzellen durch den einfachen Systemaufbau und schnelle Startzeiten aus. Allerdings sind DMFCs relativ empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Brennstoff und haben einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad.

Vor- und Nachteile von Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFCs) im Vergleich zu anderen Methanol Brennstoffzellen

Indirekte Methanol-Brennstoffzelle (RMFC)

Bei der indirekten Methanol-Brennstoffzelle (Reformed Methanol Fuel Cell kurz RMFC) kommt als Brennstoff Wasserstoff zum Einsatz, der in einem Vorprozess aus dem zugeführten Methanol gelöst wird. Dadurch kann eine höhere Ausgangsleistung und eine bessere Effizienz erzielt werden.

Aufbau, Prinzip und Funktionsweise

RMFCs können sich hinsichtlich ihrer Membran unterscheiden. In manchen Systemen kommen konventionelle Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembranen (LT-PEM), in anderen Hochtempertaur-Polymerelektrolytmembranen (HT-PEM) zum Einsatz. Mehr zu den unterschiedlichen Typen hier. Die grundsätzliche Funktionsweise ist allerdings identisch:

Im ersten Schritt wird aus Methanol ein wasserstoffhaltiges Gas (Reformatgas) erzeugt. Die sogenannte Dampfreformierung findet bei Temperaturen zwischen 200 – 220°C statt. Mehr zum Verfahren findet sich unten im Text. Methanol dient als flüssiger Wasserstoffträger.

Anders als bei der DMFC wird an der Anode folglich kein wässriges Methanol, sondern gasförmiger Wasserstoff zugeführt. Da die aus der Automobilindustrie bekannte LT-PEM einen hochreinen Wasserstoff benötigen, muss das entstandene Reformatgas noch aufbereitet werden. Dies kann mittels einer Palladiummembran erfolgen.

Im Gegensatz zu LT-PEMs sind HT-PEMs aufgrund der erhöhten Betriebstemperatur tolerant gegenüber Verunreinigungen im Reformatgas. Der Schritt der Aufbereitung entfällt bei diesem Systemtyp.

Aufbau einer indirekten Methanol-Brennstoffzelle (RMFC) mit Reformer und HT-PEM (LT-PEM benötigt einen zusätzlichen Schritt zur Wasserstoff-Aufbereitung zwischen Brennstoffzelle und Reformer)

Anwendungen

RMFCs kommen derzeit überwiegend zur stationären Stromerzeugung, als auch im Automotivbereich zum Einsatz. Zu den Anwendungsfeldern zählen beispielsweise abgelegene Telekommunikationsstandorte oder die Notstromversorgung kritischer Infrastruktur. Systeme und Module unterscheiden sich je nach Anwendungsfeld von 150 Watt bis mehreren hundert Kilowatt.

Vor- und Nachteile

Im Vergleich zur DMFC ist das Systemdesign der RMFC etwas komplexer. Allerdings sind die Anforderungen an die Methanolreinheit im Vergleich zur DMFC gesenkt. Zudem lässt sich eine höhere Effizienz erzielen.

Vor- und Nachteile von indirekten Methanol-Brennstoffzellen (RMFC) gegenüber DMFCs

Vorteile von Methanol für Brennstoffzellen

Methanol (H₃COH) enthält vier Wasserstoff-, ein Kohlenstoff- und ein Sauerstoffatom. Damit ist es der einfachste organische Alkohol. Hohe energetische Dichte und einfache Herstellung aus erneuerbaren Energien oder Biomasse machen Methanol zu einem Interessanten Brennstoff für nachhaltige Energiesysteme.

Vorteile von Methanol für Brennstoffzellen

Transport und Lagerung

Methanol ist flüssig bei Raumtemperatur und kann beispielsweise in Tanks, Kanistern oder Fässern transportiert und gelagert werden. Zudem weißt Methanol einen geringen Gefrierpunkt von – 97°C auf, wodurch sich Methanol-Brennstoffzellen auch für den Einsatz in kalten Umgebungstemperaturen eignen.

Kostengünstig und global verfügbar

Methanol ist ein wichtiger Ausgangsstoff der chemischen Industrie und findet beispielsweise als Lösungsmittel Verwendung. Aufgrund der vielseitigen Einsatzfelder ist Methanol weltweit verfügbar. In Europa beträgt der Nettopreis für Methanol – geliefert in einem IBC – ab etwa 0,50 € pro Liter.

Hohe energetische Dichte

Methanol hat einen hohen Anteil an chemisch-gebundenem Wasserstoff und zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus. Zum Vergleich: 10 Liter Methanol enthalten ungefähr 1 Kilogramm Wasserstoff. Ein 25 Liter Kanister enthält folglich dieselbe Menge wie 2 Druckgasflaschen mit gasförmigem Wasserstoff bei 200 bar.

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Herstellung von Wasserstoff aus Methanol

Aktuell erfolgt die Herstellung von Wasserstoff überwiegend aus Kohlenwasserstoffen. Das ist eine Stoffgruppe von Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) bestehen. Dazu zählen fossile Kraftstoffe wie Erdgas, Kohle und Erdöl, aber auch Alkohole wie Methanol und Ethanol (C₂H₄O).

Das geläufigste Verfahren ist die Dampfreformierung. Dabei wird der chemisch-gebundene Wasserstoff bei hoher Temperatur aus den Ausgangsstoffen gelöst. Es entsteht ein wasserstoffhaltiges Reformatgas.

Im Gegensatz zu anderen Kohlenwasserstoffen kann Methanol bereits bei einer verhältnismäßig geringen Temperatur von 200 – 220 °C in ein wasserstoffhaltiges Reformatgas umgewandelt werden. Zur Stromerzeugung kann das Reformatgas direkt in HT-PEM-Brennstoffzellen verwendet werden.

Die Aufbereitung von Wasserstoff ermöglicht darüber hinaus die Nutzung in industriellen Prozessen oder anderen Arten von Brennstoffzellen. Gegenwärtig kann dies durch Druckwechseladsorption (PSA), Palladiummembranen oder Elektrochemische Wasserstoffseparation (EHS) erfolgen.

Mehr zu SIQENS Brennstoffzellen.

Baustellen, Minen und Steinbrüche sind von zuverlässiger Stromversorgung abhängig – schließlich stellt jede Unterbrechung ist ein potenzielles Risiko für Mensch und Maschine dar.

Die Erstellung eines Netzanschlusses ist in vielen Fällen jedoch wirtschaftlich oder technisch nicht umsetzbar. Bislang werden hier zumeist Generatoren eingesetzt, die mit Diesel oder Benzin betrieben werden. Insbesondere bei niedrigem Energiebedarf laufen diese ineffizient und emittieren Feinstaub und Stickoxide.

Anders in einem Kieswerk in Süddeutschland: Dort hat sich der Tagebau-Betreiber für eine Kombination aus Photovoltaik und Brennstoffzelle für den eigenen Bürocontainer entschieden. Das Energiesystem deckt den täglichen Energiebedarf von 10 – 12 Kilowattstunden – benötigt für Drucker, LKW-Waage, Kamera, Funkgeräte, Computer und sonstige Verbraucher.

Stationäres Brennstoffzellensystem installiert im Container (Bild: Stefan Stark)

Auf dem Container-Dach sorgt die 8-kWp-PV-Anlage für Solarenergie am Tag. Diese wird entweder direkt verbraucht oder im 12-kWh-Batteriespeicher für die spätere Nutzung zwischengespeichert. Um wirklich ganzjährig ausreichend Energie verfügbar zu haben, ist zusätzlich ein SIQENS Ecoport 800 Brennstoffzellenmodul an die Batterie angeschlossen. Im Ergebnis spart diese Lösung 88 Prozent Kraftstoff im Vergleich zu einem Diesel-Hybrid-System ein.

Pro Jahr stellt das Brennstoffzellenmodul ungefähr 700 Kilowattstunden an elektrischer Energie bereit. Diese wird überwiegend in den sonnenarmen Wintermonaten benötigt. Im Gegensatz zu konventionellen Generatoren macht die Brennstoffzelle keinen Lärm und emittiert weder Feinstaub noch Stickstoffdioxid.

Zuverlässige Stromversorgung Ihres kritischen Standorts? Sprechen Sie mit unserem Team.

Über SIQENS

SIQENS, gegründet 2012 in München, entwickelt und produziert Methanol-Brennstoffzellen. Die Geräte zur Notstromversorgung kritischer Infrastruktur, sowie an Orten ohne feste Anbindung ans Stromnetz zum Einsatz.

Das SIQENS Brennstoffzellensystem, der Ecoport, wird mit flüssigem Methanol betrieben. Aus dem Methanol wird im Ecoport Wasserstoff gewonnen. Dieser reagiert mit Sauerstoff und erzeugt so elektrische Energie. Der Ecoport wird mit einer Batterie verbunden und lädt diese bei Bedarf automatisch nach.

Im Gegensatz zu Dieselgeneratoren sind Brennstoffzellen sparsam, haben kaum Wartungsbedarf und stoßen weder Feinstaub noch Stickoxide, sowie deutlich verringerte CO₂-Emissionen aus. Methanol aus regenerativen Quellen ermöglicht einen klimaneutralen Betrieb.

Bei Naturkatastrophen sind eine schnelle Reaktion und Abstimmung zwischen Hilfskräften und behördlichen Einrichtungen kritisch. Aber wie stellt man diese Verbindung her, wenn der Strom und damit das öffentliche Telekommunikationsnetz ausfällt?

Im Land Tirol sichert im Katastrophenfall ein digitales Richtfunknetz die Anbindung der einzelnen Bezirke und Übertragung alarmierungsrelevanter Daten. So kann zwischen von Lawinen abgeschnittenen Tälern weiterhin kommuniziert und Hilfe koordiniert werden. Das Katastrophen-Richtfunknetz bildet das Rückgrat für die Netze des Warn- und Alarmierungssystems des Digitalfunks.

Bei der Planung des Netzes wurde deshalb besonders auf Stabilität, Ausfallssicherheit und Redundanz geachtet: Derzeit befinden sich 128 Strecken im Betrieb, die über eine Strecke von bis zu 50 km eine ausfallsichere Datenübertragung ermöglichen. Dabei wurde bewusst auf die Verwendung von Erdleitungen verzichtet, um etwaige Schäden durch Erdrutsche zu verhindern.

Bilder: SIQENS

Für die meist alpin gelegenen Standorte bietet sich eine Kombination aus Photovoltaik und Batterie zur unabhängigen Stromversorgung an. So gewährleistet eine volle Batterieladung einen Betrieb von mindestens 48 Stunden. Um eine wetterunabhängige und ganzjährige Energieversorgung kritischer Standorte sicherzustellen, sind allerdings oftmals weitere Maßnahmen nötig.

Am Umlenkpunkt am Messelingkogel wird deshalb auf knapp 2.700 m der SIQENS Ecoport 800 verwendet. Die Energie der Brennstoffzelle reicht aus, um neben den angeschlossenen Richtfunkantennen auch eine kleine elektrische Heizung zu betreiben. Diese kommt beim Enteisen der Anlage im Winter zum Einsatz. Der angeschlossene Tank mit 200 Liter Methanol liefert ausreichend Energie, um den Standort auch über mehrere Monate hinaus autark zu betreiben.

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About SIQENS

SIQENS, gegründet 2012 in München, entwickelt und produziert Methanol-Brennstoffzellen. Die Geräte zur Notstromversorgung kritischer Infrastruktur, sowie an Orten ohne feste Anbindung ans Stromnetz zum Einsatz.

Das SIQENS Brennstoffzellensystem, der Ecoport, wird mit flüssigem Methanol betrieben. Aus dem Methanol wird im Ecoport Wasserstoff gewonnen. Dieser reagiert mit Sauerstoff und erzeugt so elektrische Energie. Der Ecoport wird mit einer Batterie verbunden und lädt diese bei Bedarf automatisch nach.

Im Gegensatz zu Dieselgeneratoren sind Brennstoffzellen sparsam, haben kaum Wartungsbedarf und stoßen weder Feinstaub noch Stickoxide, sowie deutlich verringerte CO2-Emissionen aus. Methanol aus regenerativen Quellen ermöglicht einen klimaneutralen Betrieb.

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Der Watzmann fasziniert seit über 200 Jahren die Alpinisten aus aller Welt. Das Berchtesgadener Monument hat jedoch nicht nur eine feste Stellung im Alpinsport inne, der Berg hat auch das Potenzial, eine ganz besondere Rolle bei der Absicherung der Kommunikationsfähigkeit des bayerischen Flachlandes im Krisenfall zu werden. Mit von der Partie: ein Münchner Unternehmen für Brennstoffzellentechnologie, das die Stromversorgung der kritischen Infrastruktur abseits des Stromnetzes zuverlässig, sauber und nachhaltig sicherstellt.

Bild: Berchtesgadener Land Tourismus

Die kleine Bergstation der Materialseilbahn auf der Westseite des Watzmannhauses wirkt auf den ersten Blick unscheinbar. Seit 1960 verbindet sie das auf knapp 2.000 m gelegene Watzannhaus mit der 600 Höhenmeter tieferen Talstation – und stellt so die Versorgung des Watzmannhauses sicher. Daneben dient die Bergstation allerdings noch einem ganz anderen Zweck: Sie beherbergt allerlei technische Geräte und Apparaturen, die mit Drähten und Schläuchen verbunden sind.

Der Hintergrund der wundersamen Technik unweit des Watzmanngipfels: Sie dient dem Betrieb einer Funkstation – allerdings nicht um Hüttengäste mit schnellem Internet zu versorgen oder die letzten Funklöcher des Berchtesgadener Naturparks zu decken. Vielmehr handelt es sich um ein Projekt, das zum zentralen Baustein ausfallsicherer Datenübertragung in Krisenfällen werden soll. Stromausfälle sind zwar auch im privaten Alltag lästig, echte Blackouts, also flächendeckende Stromausfälle über einen längeren Zeitraum, können aber mitunter fatale Folgen für die ganze Bevölkerung haben. Das gilt insbesondere für kritische Infrastrukturen (KRITIS), also solche Anlagen und Einrichtungen, denen eine wesentliche Bedeutung für die Aufrechterhaltung des alltäglichen Lebens zu Teil wird.

Das Smart Bayern Net Kritis

„Öffentliche Breitbandkommunikation ist aus wirtschaftlichen Gründen nicht resilient gegen Blackouts und damit krisensicher aufzubauen“, erklärt Stefan Lichy, Geschäftsführer der Smart Radio Net GmbH. Das Unternehmen mit Sitz am Chiemsee plant, baut und betreibt hochverfügbare Sprach- und Datennetze für kritische Infrastrukturen oder kritische Betriebsprozesse. Gefunkt wird auf speziell zugeteilten Frequenzen, unabhängig vom öffentlichen Netz. „Wir ermöglichen eine bedarfsgerechte und sichere Anbindung, die auch im Falle eines längeren, flächendeckenden Stromausfalles unterbrechungsfrei zur Verfügung steht.“

Neben einem weiteren Standort auf der Kampenwand, betreibt die Smart Radio Net auf der Zugspitze auch den höchsten Funkstandort Deutschlands. Die alpin gelegenen Brückenköpfe können Entfernungen ins Landesinnere von bis zu 180 km überbrücken. Über das bestehende Netz werden derzeit bereits 90 Prozent von ganz Bayern abgedeckt. Zu den Kunden zählen Kommunen und Versorgungsdienstleister, die auch im Falle eines Blackouts weiterhin Daten senden und empfangen müssen, um weitaus schlimmere Folgen und Schäden zu vermeiden.

„Als bayerisches Unternehmen liegt uns der weitere Aufbau dieses Netzes in Bayern besonders am Herzen. Wir sehen unser Smart Bayern Net Kritis als sicheres Kommunikationsrückgrat im Einklang und als Ergänzung zum öffentlichen Breitbandausbau. Eine Blaupause für ganz Deutschland“, so Harald Huber, Leiter Business Development bei der Smart Radio Net GmbH. 

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Zusammenarbeit mit dem DAV

Der Standort am Watzmann wird bereits seit drei Jahren durch die Smart Radio Net betrieben. Dass die Funkstation in der Betriebshütte des Watzmannhauses steht, erklärt sich durch Kooperationen mit der Sektion München des Deutschen Alpenvereins. Dabei entstand die Zusammenarbeit relativ pragmatisch: Um ein flächendeckendes Netz zu schaffen, werden die alpin gelegenen Standorte von der Smart Radio Net benötigt.  Auf der anderen Seite ist ein ausfallsicheres Netz, das auch die Anbindung abgelegenster Täler ermöglicht, für den DAV ebenfalls durchaus relevant.

Durch die flächendeckende Funkabdeckung ließe sich in Zukunft vergleichsweise einfach eine Anbindung von Schutzhütten sicherstellen, sowie die Arbeit der Bergwacht bei der Lokalisierung verunglückter Wanderer deutlich erleichtern. Derzeit befindet sich der Standort am Watzmann allerdings noch im Testbetrieb. Ohne Stromnetzanbindung, bei extremen Witterungen und eingeschränkter Zugänglichkeit im Winter, lässt sich hier die Resilienz eines wichtigen Knotenpunktes ideal simulieren.

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Stromversorgung ohne Netzanschluss

Im Verhältnis zu herkömmlichen Mobilfunkstationen verbraucht die Funkanlage wenig Energie. Inklusive Gateway werden ungefähr 80 Watt benötigt. Zum Vergleich: Für innerstädtische Mobilfunkanlagen ist eine Anschlussleistung von bis zu 4 kW erforderlich, was in etwa dem 50-fachen entspricht. Allerdings können innerstädtische Anlagen auch einfach ans Stromnetz angeschlossen werden. Auf dem Watzmann erfolgt die Stromversorgung über eine Batterie, die im Sommer über ein Photovoltaik-Panel geladen wird.

Hierin liegt eine der grundlegenden Herausforderungen des Standorts: Wie kann eine Stromversorgung ganzjährig und unabhängig von wetterbedingten Schwankungen sichergestellt werden? Die Antwort liefert das Münchner Technologieunternehmen Siqens GmbH. Über eine Methanol-Brennstoffzelle wird die Batterie auch im Winter zuverlässig nachgeladen.

„Letztendlich haben wir verschiedene Systeme und Technologien in Betracht gezogen“, erklärt Harald Huber: „Das Siqens System hat uns unter anderem durch seine robuste Bauweise und die hohe Toleranz gegenüber tiefen Temperaturen überzeugt“. Wie bei kritischen Anwendungen üblich, ist der Standort redundant aufgebaut: zwei Brennstoffzellensysteme sichern die unterbrechungsfreie Energieversorgung. Ein ähnlicher Aufbau hat sich bereits beim Katastrophenschutz des Landes Tirols bewährt. Dort stellt ein alpines Richtfunknetz die Übertragung alarmierungsrelevanter Daten und die Anbindung einzelner Bezirke sicher.

Brennstoffzelle zur sicheren Stromversorgung

„Auch für uns ist das natürlich immer wieder spannend, wenn unsere Brennstoffzellen unter extremen Bedingungen eingesetzt werden“, erklärt Volker Harbusch, Geschäftsführer und Gründer der Siqens GmbH: „Unter anderem haben wir unsere Technologie aber ja auch gerade aus diesem Grund für den Einsatz bei tiefen Temperaturen konzipiert und entwickelt“.

Genau genommen handelt es sich beim Siqens Ecoport 800 um eine mit Methanol betriebene Wasserstoff-Brennstoffzelle. Der Wasserstoff wird allerdings erst im System aus Methanol gewonnen. Das bietet insbesondere an abgelegenen Standorten den Vorteil, dass flüssiges Methanol in Kanistern einfach zu transportieren und lagern ist. „Methanol ist der einfachste Wasserstoffträger, den es gibt, und lässt sich auf Basis erneuerbarer Energien auf vielfältige Weise herstellen“, so Harbusch.

Drei angeschlossene Tanks mit einem Gesamtvolumen von 180 Litern ermöglichen einen eingriffsfreien Betrieb von über 150 Tagen. Genug, um die schneereichen Tage am Watzmann zu überbrücken. Doch auch für Standorte mit bestehendem Anschluss ans Stromnetz ist die Technologie ein Baustein, Dekarbonisierung und Netzaushärtung zu verbinden. Denn auch hier gilt es, den sicherheitsrelevanten Kommunikations- und Datenaustausch bei einem Stromausfall über mehrere Tage aufrecht zu erhalten.

Derzeit kommen zur Absicherung kritischer Infrastrukturen meist noch Dieselaggregate zum Einsatz. Im Falle des Watzmanns reicht ein 25 Liter-Kanister mit Methanol, um den Standort über drei Wochen ununterbrochen mit Energie versorgen. „Unser Ziel ist es, eine umweltfreundliche und wirtschaftliche Alternative zum Dieselgenerator bereitzustellen“, erklärt Volker Harbusch: „Insbesondere deshalb freut mich die enge Kooperation mit der Smart Radio Net und die Möglichkeit, beim Aufbau eines ausfallsicheren Kommunikationsnetzwerks mit unserer Technologie einen wichtigen Beitrag zu leisten.“

Über SIQENS

SIQENS, gegründet 2012 in München, entwickelt und produziert Methanol-Brennstoffzellen. Die Geräte werden als Alternative zu Dieselgeneratoren verwendet und kommen zur Notstromversorgung, sowie an Orten ohne feste Anbindung ans Stromnetz zum Einsatz.

Das SIQENS Brennstoffzellensystem, der Ecoport, wird mit flüssigem Methanol betrieben. Aus dem Methanol wird im Ecoport Wasserstoff gewonnen. Dieser reagiert mit Sauerstoff und erzeugt so elektrische Energie. Der Ecoport wird mit einer Batterie verbunden und lädt diese bei Bedarf automatisch nach. Angeschlossene elektrische Geräte werden dabei direkt von der Batterie versorgt. Durch patentierte Kreisläufe zur Rückgewinnung von Prozessmedien und Energie läuft das System besonders effizient.

Im Gegensatz zu Dieselgeneratoren sind Brennstoffzellen sparsam, haben kaum Wartungsbedarf und stoßen weder Feinstaub noch Stickoxide, sowie deutlich verringerte CO₂-Emissionen aus. Wird Methanol aus regenerativen Quellen verwendet, erfolgt der Betrieb komplett klimaneutral.

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