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DMFC - Direct Methanol Fuel Cell - Brennstoffzelle
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Methanol vs. Wasserstoff PDF Drucken
Brennstoffzellen für elektrische Kleingeräte - mit Methanol oder mit Wasserstoff?

Seit Jahren werden Brennstoffzellen als Energieversorgung für kleine, tragbare Geräte intensiv diskutiert. Aufgrund günstiger Kostenstrukturen gilt inzwischen als sicher, dass die breite Vermarktung der Brennstoffzellen-Technologie im kleinen Leistungsbereich (etwa unterhalb 200 W) beginnt. Plakative Schlagzeilen wie etwa „Strom aus Schnaps“ oder „Laptop mit Kraftwerk“ verdeutlichen, dass sich prinzipiell die Art der Energieversorgung ändert: Anstelle wie beim herkömmlichen Akku elektrische Energie lediglich zu speichern, wird der Strom aus Brennstoffzellen erst bei Bedarf im Gerät erzeugt – bis der Tank leer ist. Die entscheidenden Fragen lauten: Welches ist der am besten geeignete Energieträger? Wie lässt sich eine kostengünstige, sichere und bequeme Lösung für den Brennstoff-Nachschub und das Nachtanken realisieren?

Die Erwartungen des Marktes an die Energieversorgung der Endgeräte sind enorm gewachsen. Leistungs- und Komfortfunktionen etwa im Consumer Electronics- Bereich sind in aller Regel mit einem starken Anstieg des Stromverbrauchs verbunden. Beispiele hierfür sind drahtlose Kommunikation, helle Displays, höhere Prozessorgeschwindigkeit, gesteigerter Rechenaufwand (etwa bei der Bildver- arbeitung), lange Betriebszeiten bis hin zum Modus „Always on“. Die heute meistverwendete Akkutechnologie – Lithium-Ionen bzw. Lithium-Polymer - ist damit nahe an ihren physikalischen Grenzen angelangt. Ihre Energiedichte hat mit dem gestiegenen Stromverbrauch der Geräte nicht mithalten können. Eine maximale Betriebszeit eines Laptops von nur zwei Stunden wird heute als unzumutbare Einschränkung empfunden; im rechenintensiven DVD-Betrieb ist die Akku-Kapazität bereits nach nur einer Stunde erschöpft. Der Leidensdruck ist besonders stark bei solchen Produkten, die eine relativ hohe elektrische Leistung benötigen und gleichzeitig lange Betriebszeiten aufweisen, etwa im Bereich professioneller Laptop- Nutzer oder Mobile Office-Systeme. Der Speicherdichte, also der Angabe, wie viel Energie pro Masseneinheit des Speichers verfügbar ist, kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu. Abb. 1 veranschaulicht die Energiedichten verschiedener Energiespeicher-/wandlersysteme.


Es gibt weltweit etwa ein Dutzend verschiedener Firmen und Institute, die sich mit Miniatur-Brennstoffzellensystemen beschäftigen. Dabei konkurrieren zwei verschiedene technische Konzepte miteinander: Wasserstoff, der in Metallhydridspeichern gebunden wird, und Methanol, ein flüssiger Alkohol. Diese beiden Lösungen unterscheiden sich in technischer Hinsicht und vor allem in Fragen der praktikablen Infrastruktur und Logistikaspekten des „Nachtankens“.

Wasserstoff-Brennstoffzellensystem: Dieser „klassische“ Typ eines Brennstoffzellensystems wurde in verschiedenen Leistungsstufen vom Laptop bis hin zum Antrieb für Omnibusse bereits als Prototyp demonstriert. Der Markteintritt ist jedoch noch in keiner Anwendung geglückt. Dabei besticht diese Technik durch ihre konstruktive Einfachheit: es sind lediglich ein Wasserstoffspeicher, ein Wasserstoff- Ventil, eine Brennstoffzelle, ein Gebläse und ein minimaler Regelaufwand erforderlich. Der entscheidende Nachteil liegt in der geringen Speicherdichte des Wasserstoffs und den damit verbundenen enorm hohen Kosten des Speichers. Die einzige praktikable Speicherform für Kleingeräte liegt in Metallhydridspeichern, bei denen der ursprünglich gasförmige Wasserstoff bestimmte Gitterplätze spezieller Legierungen einnimmt. Die besten verfügbaren kompakten Metallhydridspeicher erreichen nur eine reversible Speicherkapazität von 1,5 Gew.-% Wasserstoff. Damit ergibt sich unter Berücksichtigung des Brennstoffzellen-Wirkungsgrades eine maximale Speicherdichte von etwa 350 Wh/kg. Berücksichtigt man das Gewicht des Behälters und des Brennstoffzellensystems, kann gegenüber Lithium-Polymer- Batterien kein wesentlicher Gewichtsvorteil realisiert werden. Als Energiequelle für portable elektrische Geräte entfällt damit das einzige wesentliche Verkaufsargument für die Wasserstoff- Brennstoffzelle. Hinzu kommt, dass die Infrastrukturen für die sündhaft teuren Metallhydridspeicher (mindestens 40 EUR pro Stück für 150 Wh Kapazität) und für die zeitaufwendige Wiederbefüllung erst aufgebaut werden müssen. Dies ist mit großen Investitionen verbunden: Die gesamte Logistik-Kette muss zunächst mit Speichern und Einrichtungen zur Wiederaufladung aufgefüllt werden, was einen enormen Kapitalaufwand erfordert. Gerade wegen der geringen Speicherdichte ist eine riesige Stückzahl von Speichern notwendig. Oft wird in diesem Zusammenhang ein Vergleich mit der erfolgreich aufgebauten Infrastruktur für CO2-Patronen sogenannter Soda-Streamer (Sprudelwasser-Geräte) herangezogen. Dieser „Vergleich“ ist jedoch hochgradig irreführend: Eine CO2- Patrone liefert durchschnittlich etwa 50-60 Liter Mineralwasser, was den Bedarf eines Privathaushalts für mehrere Wochen deckt. Ein Wasserstoff-Speicher hingegen hält nur wenige Stunden und muss daher im Dauereinsatz sogar mehrmals täglich ausgetauscht werden. CO2 ist kein Gefahrgut; für Wasserstoff- Transporte hingegen gelten strenge Sicherheitsauflagen. Im Ergebnis muss festgehalten werden, dass die Schaffung der Infrastruktur für kompakte Wasserstoffspeicher ein bislang unlösbares Problem darstellt.

DMFC: Diese Infrastruktur-Probleme vermeidet die Direkt-Methanol- Brennstoffzelle (DMFC). Ihr unschlagbarer Vorteil liegt in der Verwendung eines flüssigen, sehr leicht speicherbaren und überaus billigen Energieträgers, der in Kunststoff-Patronen verbreitet werden kann. Eine weitverzweigte weltweite Infrastruktur für Methanol existiert bereits in vielen Bereichen. Methanol wird z.B. als Frostschutz-Zusatz im Kfz-Scheibenwasser verwendet. Es gibt bereits Methanol-Tankpatronen für Brennstoffzellen, die offiziell sogar für den Transport im Flugzeug zugelassen sind. Eine Methanol-Patrone für 150 Wh Stromausbeute lässt sich für weit unter 1 Euro produzieren, so dass nach der Distributions- und Vermarktungskette Endpreise in der Größenordnung von 2-3 Euro realistisch sind.

Der einzige Nachteil einer direkten Methanol-Brennstoffzelle ist ein etwas höherer systemtechnischer Aufwand. Neben einer Methanol-Patrone werden Mikropumpen und eine etwas aufwendigere Brennstoffzelle mit der zugehörigen Regelungstechnik benötigt. Die Miniaturisierung dieser Systemtechnik ist jedoch in den letzten Jahren dramatisch fortgeschritten.

Welche Technik hat die Nase vorn? Die prinzipiellen Probleme der Wasserstoff-Technik – die geringe Speicherdichte und die problematische, kostenintensive Infrastruktur – sind fundamentaler Natur und damit auch durch intensive Entwicklungsarbeit kaum lösbar. Physikalisch ist leicht herleitbar (und durch wissenschaftliche Studien belegt), dass sich die Wasserstoffspeicherung bereits heute nahe der theoretischen Grenzen bewegt. Aufgrund der erreichten Speicherdichten ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle gegenüber modernen Akkus nicht konkurrenzfähig. Auch bei Serienproduktion von Metallhydridspeichern liegen die Kosten der benötigten Infrastruktur um etwa zwei Größenordnungen zu hoch. Deshalb werden sich Wasserstoff- Systeme nur in solchen Märkten durchsetzen, in denen Laufzeit der Geräte und Kosten der Infrastruktur keine entscheidenden Kriterien sind.

Demgegenüber sind die Herausforderungen, die DMFC-Technologie in marktreife Produkte umzusetzen, durch verfahrenstechnische Ingenieur- leistung (seit jeher eine Kernkompetenz Deutschlands) viel schneller und leichter lösbar. Die jüngst öffentlich präsentierten Prototypen und die bereits vollzogene Vermarktung von Miniatur- DMFC-Systemen für mehrere Anwendungen lassen den Schluss zu, dass die breite Einführung dieser Technologie auch in Massenmärkte in greifbare Nähe gerückt ist. In Teilbereichen existiert bereits eine überaus preisgünstige und international etablierte Infrastruktur für Methanol-Patronen, die beweist, dass unter diesem entscheidenden Aspekt die Methanol-Brennstoffzelle klar die Nase vorn hat. Bis sich diese Erkenntnis gegen die eher ideologisch geprägte Bevorzugung von Wasserstoff durchsetzt, ist nur noch eine Frage der Zeit.

Dr. Jens Müller, SFC Smart Fuel Cell AG

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