4. Brennstoffzelle und das CO<SUB>2</SUB>-Problem

4. Brennstoffzelle und das CO2-Problem

Immer häufiger werden erneuerbare Energiequellen wie Solarstrahlung, Windenergie, Biomasse und Wasserkraft für eine umwelt- und ressourcenschonende Energieversorgung als wichtig beurteilt. Auch die Brennstoffzelle gehört zu den umweltfreundlichen Möglichkeiten der Energieversorgung. Allerdings muss zur allgemeinen Bewertung der Umweltrelevanz der Brennstoffzelle die vollständige Umwandlungskette von der Primärenergie bis zur Endanwendung geprüft werden. Heute wird Wasserstoff (H2), der als Energieträger in der Brennstoffzelle eingesetzt wird, weltweit in großem Ausmaß als chemischer Rohstoff hauptsächlich aus fossilen Energieträgern industriell gewonnen und zum Teil über Pipelinenetze verteilt. Allerdings geschieht dieser Herstellungsprozess unter Freisetzung von Kohlenstoffdioxid (CO2). Dies wird jedoch umgangen, wenn Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen gewonnen wird. Derzeitig stehen im Prinzip somit schon umweltfreundliche Wasserstoffnutzung und -gewinnung einsatzbereit zur Verfügung. Auf vorhersehbare Zeit jedoch wird deren großflächige technische Einsatz durch eine gewaltige Kostenbelastung eingeschränkt. Folglich wird eine wirtschaftlich wichtige Bedeutung des Energieträgers Wasserstoff nach aktuellem Erkenntnisstand frühestens in 30 bis 50 Jahren erwartet, vorausgesetzt, es stehen preisgünstige und CO2-freie Energiequellen zur Verfügung. Allerdings soll bis zum Jahr 2005 die CO2-Emission Deutschlands um 25% gegenüber dem Stand von 1990 verringert werden (bis 2050: in den Industrieländer 80%; weltweit 50%), so jedenfalls lautet das Ziel, das sich die Bundesregierung gesetzt hat. Deswegen ist es notwendig, zum Beispiel Fahrzeuge mit Wasserstoff zu betreiben, welcher am besten ohne CO2- Ausstoß und regenerativ erzeugt wurde. Betreffend der Kohlenstoffdioxidproblematik ist jedoch ausschließlich der Energieträger, welcher zur Wasserstofferzeugung genutzt wird, von Bedeutung, da Wasserstoff an sich lediglich ein Speichermedium ist. In diesem Zusammenhang erweist es sich daher als nicht sinnvoll, fossile Energieträger zur Wasserstoffproduktion zu verwenden, da CO2 freigesetzt wird. Ebenso unsinnig erscheint es in dieser Betrachtung, fossile Energieträger durch fossil erzeugten Wasserstoff auszuwechseln. Kohlendioxidemissionen entstehen ebenfalls, wenn Wasserstoff aus Methanol gewonnen wird. Die momentan mit Abstand teuerste Variante der Energieversorgung stellt die Kombination von Wind- oder Solarenergie mit dem Energiespeicher Wasserstoff dar, welche aber den Vorteil besitzt, dass sie, abgesehen von den Emissionen, die bei der Aufstellung der Anlagen entstehen, weitestgehend emissionsfrei ist. Ausgenommen von diesen erneuerbaren Energien - aus Kostengründen wird gegenwärtig insbesondere Wasserkraft bevorzugt - bieten sich also eventuell Biomasse und besonders die Kernenergie zur Wasserstofferzeugung an. So ist es denkbar, mit dem Strom aus Kernenergie Wasserstoff CO2-frei herzustellen und diesen zum Beispiel als Treibstoff für Verkehrsanwendungen einzusetzen, jedoch gibt es hinsichtlich der Kernenergie weitere Probleme, da diese nicht ganz ungefährlich ist. Je nach Erzeugungsart gestattet Wasserstoff somit die Möglichkeit, vorgelagerte Emissionen, welche hauptsächlich Kohlendioxide sind, in der Brenn- bzw. Kraftstoffbereitstellungskette erkennbar zu vermindern oder gänzlich zu vermeiden.

Um Wasserstoff mit hohen Wirkungsgraden bei minimalen Betriebstemperaturen komplett emissionsfrei in Vortriebsenergie umzusetzen, demzufolge scheint die Membranbrennstoffzelle (PEMFC) die geeigneteste Wandlungstechnologie zu sein.

Schadstoffausstöße können mit der Nutzung von Brennstoffzellen sehr gemindert werden, da bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft in Verbrennungsmotoren bei entsprechender Verbrennungsführung lediglich sehr geringe bis vernachlässigbare Emissionen entstehen. So können Kohlenwasserstoff (KW)- und Kohlenmonoxidemissionen (CO), sofern überhaupt, nur in geringsten Mengen durch die Verbrennung von Motorenöl im Brennraum von Verbrennungsmotoren entstehen. Stickoxidemissionen (NOx) indessen nehmen mit der Verbrennungstemperatur zu. Demzufolge lassen sie sich durch geeignete Prozessführung beeinflussen. So werden viele Schadstoffe fast vollständig vermieden, wenn Wasserstoff in Brennstoffzellenantrieben mit Niedertemperaturbrennstoffzellen zum Einsatz kommen. Sofern eine niedrige Verbrennungstemperatur, zum Beispiel mit hohem Luftüberschuss, erreicht wird, ist eine deutliche Einschränkung der Stickoxidemissionen gegenüber Mineralöl oder Erdgas erreichbar, da Wasserstoff in diesem Bereich größere Freiheiten als andere Brennstoffe bietet. Bis auf kleine Reste können Partikel- und Schwefelemissionen aus den Schmierstoffen gänzlich vermieden werden. Doch selbst Brennstoffzellen mit höheren Temperaturniveau erzeugen bis zu 100 mal geringere Schadstoffausstöße verglichen mit herkömmlichen Kraftwerken. Bei der Stromerzeugung aus Wasserstoff und Luftsauerstoff (O2) entsteht als Reaktionsprodukt lediglich demineralisiertes Wasser.

Eine außerordentliche hohe lokale Umweltbelastung in den Ballungsgebieten bewirkt heutzutage der motorisierte Verkehr und dieser unterstützt mit dem CO2-Ausstoß den Treibhauseffekt, dessen Folgen für das Weltklima noch nicht ganz absehbar sind. Als sinnvolle Alternative erscheinen daher PEMFC-Brennstoffzellen, welche als geeigneter Antrieb für Busse, Straßen- und Stadtbahnen, Nahverkehrszüge, Service- und Kommunalfahrzeuge und auch Pkws im innerstädtischen sowie stadtnahen Gebiet erscheinen. Speziell im städtischen Fahrprofil erzielen diese Brennstoffzellen Wirkungsgrade, welche doppelt so hoch wie die von Dieselmotoren sind, und somit die Möglichkeit gewährleisten, erneuerbare Energien erfolgreich in den Verkehrsbereich einzubringen. Die Angst, dass es durch den verstärkten Wasserdampfausstoß zu verstärkten Nebel- oder Glatteisbildungen kommen könnte, ist unbegründet, da die Wasserdampf-Emissionen eines wasserstoffbetriebenen Verkehrssystems in Ballungsräumen in etwa dem Promillebereich der normalen Emissionen entsprechen. Die Emissionen liegen sogar noch um einige Größenordnungen unter den örtlichen Emissionen eines großen Kraftwerkes. Die Frage, ob Wasserdampf wirklich treibhauseffektrelevant ist, hängt abgesehen von der Tendenz und Art zur Wolkenbildung von der atmosphärischen Höhe ab: Je näher er an der Erdoberfläche ist, desto weniger relevant ist er, in der Stratosphäre jedoch ist Wasserdampf sehr treibhausaktiv. Somit sind Wasserdampfemissionen, aus einer regenerativen Energiewirtschaft mit Wasserstoffanteil spezifisch beobachtet, durchaus weniger klimagefährdend als kohlenstoffhaltige Emissionen aus der Energiewirtschaft mit fossilen Grundstoffen. Als aussichtsreiche Konzepte zur Minderung der lokalen Schadstoffemissionen in den nächsten fünf Jahren werden Antriebssysteme mit Ottomotoren und den Kraftstoffen Benzin und Erdgas gesehen. In den nächsten fünf bis zehn Jahren werden Konzepte, welche sich auf den elektrischen Antrieb stützen, vor allem die mit Brennstoffzellentechnik, an Bedeutung gewinnen. In zehn Jahren und später werden ohne Ausnahmen elektrische Antriebssysteme mit Brennstoffzellen und mit neuen Batterietechnologien als dauernde Option erkannt, mit welcher eine eindeutige Absenkung der klimabedeutsamen Kohlendioxidemission und eine komplette Vermeidung der lokalen Emissionen erlangt werden kann. Als Kraftstoffe, deren Gewinnung Schritt für Schritt auf regenerative Energiequellen umgestellt werden muss, kommen dann Wasserstoff und Methanol in Frage.