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Pressemitteilung vom 24. Februar 2008

Spreu, Weizen und Brennstoffzellen

Ulf Bossel
Euroean Fuel Cell Forum
CH-5452 Oberrohrdorf

Fünf Arten von Brennstoffzellen gibt es, die alle mit Wasserstoff sehr gut funktionieren. Aber leider ist Wasserstoff kein kommerzieller Brennstoff, sondern lediglich ein künstlich hergestelltes Energietransportmittel, für das es noch keine Vertriebsstruktur gibt und aus physikalischen Gründen wahrscheinlich auch nie geben wird. Das ist eine schlechte Nachricht für Brennstoffzellen, die nur mit Wasserstoff betrieben werden können. Glücklicherweise können andere Brennstoffzellen auch handelsübliche Brenn- und Kraftstoffe in Strom verwandeln. Mit so genannten Direkt-Methanol-Zellen lässt sich aus Alkohol Strom gewinnen. Die bei hohen Temperaturen arbeitenden Karbonat- und Keramikzellen verdauen einfache Kohlenwasserstoffe. Auch mit den phosphorsauren Zellen lässt sich Erdgas und Biomethan relativ einfach elektrochemisch umwandeln. Ein solcher 250 kW Generator läuft in New York seit fast 80'000 Stunden immer noch mit den ersten Zellen. Die 200 kW Karbonatzellen haben bereits 40'000 Stunden erreicht. Für das erste 100 kW Keramikzellen-Krafwerk werden ähnliche Laufzeiten genannt.

Wo aber sind die Brennstoffzellen-Autos, die bereits 2002 auf dem Markt erscheinen sollten? Inzwischen spricht man von frühestens 2012, aber «später oder nie» wäre eine ehrlichere Antwort. Die Fahrzeuge haben ihre Reife bewiesen, aber solange man den Tank nicht mit Wasserstoff füllen kann werden diese Autos auch keine Käufer finden. Mit dem Hinweis auf eine «Huhn-oder-Ei-Situation» wird das Problem nicht behoben.

Huhn und Ei sind beides wertgleiche Wesen, bei denen man philosophisch darüber streiten kann, ob zuerst das Huhn ein Ei gelegt hat oder ob zuerst aus einem Ei ein Huhn entstanden ist. Man muss nicht diskutieren, ob Eier Sinn machen, um Hühner zu erbrüten, denn aus Steinen schlüpfen keine Küken. Man muss auch nicht über Hühner diskutieren, denn diese legen bekanntlich Eier, keine Steine.

Ganz anders liegen die Dinge bei Wasserstoff und Brennstoffzelle. Wasserstoff lässt sich auch mit Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen in Strom umwandeln und Brennstoffzellen können auch mit anderen Brennstoffen betrieben werden. Es gibt keinen kausalen Zusammenhang zwischen beiden. Mit Brennstoffzellen lässt sich keine Wasserstoffwirtschaft erzwingen und mit der Verfügbarkeit von Wasserstoff wird die Brennstoffzelle nicht zum universellen Energiewandler. Das Entstehen einer Wasserstoffwirtschaft hängt vielmehr davon ab, ob sich das Energieproblem durch Einführung eines anderen Energieträgers lösen lässt. Die Antwort ist ein klares «Nein».

In einer nachhaltig gestalteten Energiezukunft muss der Wasserstoff mit Hilfe von sauberem Naturstrom aus Wasser gewonnen werden. In Brennstoffzellen wird die elektrolytische Wasserspaltung wieder rückgängig gemacht. Wegen der physikalisch bedingten Verluste der doppelten Wandlung lassen sich mit Wasserstoff nur etwa ein Viertel der eingesetzten Strommenge wieder nutzbar machen, während man bei einer direkten Stromübertragung etwa 90% der ursprünglichen Energie hätte nutzen können. Strom aus Wasserstoff und Brennstoffzelle steht deshalb mit Strom aus der Steckdose im Wettbewerb. Nicht die Huhn-oder-Ei Reihenfolge von Wasserstoff und Brennstoffzelle ist entscheidend, sondern die Frage, ob es energetisch und damit auch wirtschaftlich Sinn macht, einen chemischen Energieträger für die Stromübertragung einzusetzen, weil sich Strom über die bestehenden Leitungsnetze mit hoher Effizienz gut verteilen lässt.

Allein aufgrund der schlechten Energiebilanz muss Strom aus einer Wasserstoff-Brennstoffzelle immer wesentlich teurer sein als Strom aus der Steckdose. Man kann diese schlechte Energiebilanz nicht durch eine kostengünstige Massenfertigung der eingesetzten Geräte beeinflussen. Billige Elektrolyseure, Wasserstofftanks oder Brennstoffzellen können die Physik nicht verändern. Auch bei einer kostenlosen Verteilung von Brennstoffzellen wäre der mit Wasserstoff erzeugte Strom wesentlich teurer als Strom aus der Steckdose. Unter Berücksichtigung von Kapital- und Personalkosten einer Wasserstoff-Wirtschaft dürfte Netzstrom fünf- bis zehnmal billiger sein als Strom aus einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Für die stationäre Stromerzeugung ist dies Argument einleuchtend, denn Steckdosen findet man an fast jeder Wand. Strassenfahrzeuge brauchen gespeicherte Energie. Heute tankt man Benzin oder Diesel. In Zukunft soll es an diesen Tankstellen auch Wasserstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeugen geben. Diese vereinfachte Fortschreibung der heutigen Situation berücksichtigt jedoch nicht, dass Brennstoffzellen-Fahrzeuge im Grunde Elektrofahrzeuge mit mobiler Stromerzeugung sind. Man wird die gleichen Fahrzeuge auch mit Batterien ausrüsten, die man in der eigenen Garage mit billigem Nachtstrom nachladen kann. Wegen der systembedingten Verluste kostet die Fahrt mit Wasserstoff wesentlich mehr als die mit Nachtstrom. Eine neu zu schaffende Wasserstoff-Infrastruktur müsste also vom ersten Tag an mit dem bestehenden Stromnetz konkurrieren. In Anbetracht der vielen Vorzüge einer elektrischen Lösung ist der Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur ein fragwürdiges Ziel.

Eine Wasserstoff-Wirtschaft wäre nämlich schon längst verwirklicht worden, wenn sie physikalisch gesehen Sinn machen würde. Seit 1820, also noch vor der Entdeckung des Brennstoffzellen-Effekts durch den Basler Chemiker Christian Friedrich Schönbein und vor der Erfindung der elektrochemischen Stromquelle durch Robert William Grove wollte man Wasserstoff als Energieträger einführen. Aber damals wie heute sprechen physikalische Gründe dagegen, denn die Physik lässt sich nicht überlisten, weder mit politischen Initiativen, noch durch Forschungsprogramme oder Investitionen. Eine flächendeckende Versorgung mit Wasserstoff wird es voraussichtlich nie geben. Die Wasserstoff-Brennstoffzelle funktioniert hervorragend im Labor, aber sie wird mangels Brennstoff immer ein Nischenprodukt bleiben.

Diese Situation ergibt sich aufgrund von Energiebilanzen und hat mit der Brennstoffzelle selbst wenig zu tun. Bedauerlich ist jedoch, dass enorme Summen und geistiges Kapital in die Entwicklung von Brennstoffzellen gesteckt worden sind, die mangels Brennstoff nicht im erhofften Umfang eingesetzt werden können. Für die Brennstoffzellen-Technologie wäre es gut gewesen, man hätte diese grundlegenden Überlegungen vor der Verabschiedung von Forschungsprogrammen angestellt und sich auf die Entwicklung von Brennstoffzellen für marktgängige Brennstoffe konzentriert. Obwohl die Wasserstoff-Euphorie schon merklich abgeklungen ist, wird es noch Jahre dauern, bis die Wasserstoffprogramme beendet sind und man erkannt hat, dass man mit Wasserstoff keine Energieprobleme lösen kann. Es wird Zeit, auch im Bereich der Brennstoffzelle die Spreu vom Weizen zu trennen.

Immer wieder hört man, die Brennstoffzellen seien noch nicht aufgereift, viel zu teuer und deshalb unverkäuflich. Dies gilt nur noch teilweise. Methanolzellen werden bereits in grossen Stückzahlen produziert und sind im Handel erhältlich. Auch werden Brennstoffzellen für die Stromversorgung von elektronischen Geräten angeboten. Militärische Anwendungen sind vielfältig und füllen die Auftragsbücher. Selbst für die stationäre Stromerzeugung werden Anlagen der 100-kW-Klasse (Phosphorsäure-, Karbonat- und Keramikzellen) auch ohne öffentliche Förderung angeschafft und gewinnbringend betrieben. Offensichtlich haben es Brennstoffzellen besonders schwer, bei deren Entwicklung nicht der Markt das Ziel war, sondern die Beschaffung öffentlicher Fördermitteln.

Dies ist eine starke Feststellung, aber sie wird durch die Entwicklung der letzten 20 Jahre gestützt. Die erfolgreichen Zellen sind für den Einsatz von Brennstoffen entwickelt worden, die marktmässig angeboten werden, etwa Brennstoffzellen für Erdgas, Propan, Methanol, Biogas und Heizöl, oder Wasserstoffzellen für die direkte Nutzung des bei der Chlorherstellung entstehenden Wasserstoffs. Brennstoffzellen für diese verfügbaren Brennstoffe werden vom Markt in technischer Hinsicht akzeptiert. Allerdings müssen sie mit konventionellen Stromerzeugern konkurrieren, die bei etwas schlechterem Wirkungsgrad mit den gleichen Brennstoffen betrieben werden können.

Ausgerechnet Polymer-Brennstoffzellen, auf die man so grosse Hoffnungen gesetzt und in deren Entwicklung grosse Summen investiert worden sind, scheinen den Markzugang nicht zu schaffen, weil sie nur mit reinem Wasserstoff betrieben werden können. Das Bild wird durch die täglichen Berichte über den erfolgreichen Abschluss von Entwicklungsprojekten und die euphorischen Lobgesänge der Wasserstoffverbände verfälscht. Die Energiewirtschaft hat längst begriffen, dass Wasserstoff keine Zukunft hat. Man hat die Wasserstoff-Wirtschaft zusammen mit der Polymer-Brennstoffzelle als Lösung aller Energiefragen gefeiert, aufwändige Wasserstoffprogramme gestartet und grosszügig Fördermittel bereitgestellt. Aber Geld lässt kritische Stimmen verstummen, zumal die Geldbeschaffung heute zur Pflicht eines Forschungsdirektors oder Hochschulprofessors gehört. Man hat mit der Entwicklung technischer Details begonnen, ohne über Sinn und Unsinn einer Wasserstoffwirtschaft nachzudenken.

Das Problem ist also nicht die Technik der Brennstoffzelle, sondern der hohe Energieeinsatz für den Betrieb einer Wasserstoff-Wirtschaft. Neue Energiequellen müssen erschlossen werden, bevor man über Energieträger sinniert. Dabei muss bedacht werden, in welcher Form Energie aus neuen Quellen geerntet wird. Sonne, Wind & Co. liefern in erster Linie Strom. Auch Kernkraftwerke sind Stromerzeuger. In Zukunft wird Elektrizität zur Leitwährung im Energiebereich. Die Zukunft gehört einer «Elektronenwirtschaft». Mit dem Energieträger Wasserstoff lässt sich das Energieproblem nicht lösen.

Bei den einen füllen sich die Regale mit unverkäuflichen Brennstoffzellen, bei den anderen die Auftragsbücher für brauchbare Geräte. Es wird Zeit, die Spreu vom Weizen zu trennen. Der Ausscheidungsprozess läuft. Entwickler von Polymer-Brennstoffzellen kämpfen um die Verlängerung der Förderprogramme, während die Anbieter von Zellen für konventionelle Brennstoffe eine steigende Marktakzeptanz verzeichnen. Dieser Trend wird durch den regen Zuspruch zum «8th European SOFC Forum» (8. Europäisches Festoxid-Brennstoffzellen-Forum) in Luzern verdeutlicht. Mit fast 300 Vorträgen, einer von 25 Firmen beschickten Produktausstellung und über 500 Teilnehmern aus aller Welt wird es zum europäischen Spitzenereignis des Jahres auf dem Gebiet der Brennstoffzelle werden. Näheres findet man unter www.efcf.com.

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