Brennstoffzellen-Technik zur Stromerzeugung für Lkw und Flugzeuge

Brennstoffzellen eignen sich nicht nur für den Antrieb von Fahrzeugen, sondern auch zur effizienten und umweltfreundlichen Stromversorgung bei Nutzfahrzeugen und Flugzeugen. Ein neu entwickeltes System des Forschungszentrums Jülich nutzt für den Energiebedarf solcher Brennstoffzellen Diesel oder Kerosin.

Ein sogenannter „Reformer“ gewinnt dabei aus den fossilen Energieträgern den benötigten Wasserstoff. Bisher kommen in der Regel an den Motor angeschlossene Generatoren zum Einsatz. Insbesondere während der Standzeiten von Lkw ist diese Art der Stromerzeugung aber wenig effizient. Der Wirkungsgrad liegt bei der Erzeugung im Leerlaufbetrieb der Antriebsmaschine bei lediglich zehn Prozent. Das heißt lediglich zehn Prozent der im Treibstoff gebundenen Energie lassen sich in elektrische Energie für Generatoren oder Kühlaggregate umwandeln. Ein neu entwickeltes Brennstoffzellen-System des Forschungszentrums Jülich verwendet zur Stromerzeugung ebenfalls die Kraftstoffe Diesel oder Kerosin.

Im Gegensatz zu konventionellen Brennstoffzellen verwendet das System also nicht direkt Wasserstoff, sondern gewinnt das flüchtige Gas mit einem sogenannten „Reformers“ und eines „Shiftreaktors“ aus dem Kraftstoff. Der Wirkungsgrad dieses Systems liegt bei bis zu 40 Prozent, das heißt: Es geht bis zu viermal weniger Energie ungenutzt verloren als bei Dieselmotoren. Zudem arbeitet das System praktisch geräuschlos und es entstehen deutlich weniger Abgase als bei einem Dieselmotor.

Zunächst verwandelt der Reformer den Kraftstoff unter Zuführung von Luft und Wasserdampf in gasförmigen Bestandteile. Bei dieser Reaktion entstehen hauptsächlich Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf, Methan, Stickoxide und Wasserstoff, erklärt Prof. Dr. Ralf Peters vom Institut für Energie- und Klimaforschung. In einem zweiten Schritt wandelt der Shiftreaktor das Kohlenmonoxid, das im Wasserstoff gebunden ist, unter Zugabe von Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlendioxid um. Der Kohlenmonoxid-Anteil sinkt von etwa zehn auf ein Prozent. Dies verhindert, dass giftiges und reaktives Kohlenmonoxid die Brennstoffzelle blockiert. Das restliche Kohlendioxid stößt das System als Abgas aus. Im Anschluss verarbeiten die Brennstoffzellen den Wasserstoff, indem sie ihn mit Sauerstoff reagieren lässt. Aus dieser Reaktion entsteht elektrische Energie. Um eine Stunde lang eine Leistung von zehn Kilowatt (kW) zu erzeugen, benötigt das System als Ausgangsstoffe etwa 2,5 Kilogramm Kraftstoff, sechs Kilogramm Wasser und 3.000 Liter Luft. Als Abfallprodukte bleiben Wasser, Stickstoff und Sauerstoff übrig. Das Wasser findet zum Teil wieder als Wasserdampf im Reformer und dem Shiftreaktor Verwendung. Der Überschuss an Wasser lässt sich sammeln oder einfach ableiten.

Dieser Umstand macht das System insbesondere auch für die Luftfahrt interessant. Weil während des Fluges aufgrund der Stromerzeugung Wasser entsteht, ist vor dem Start entsprechend weniger Aufnahme in den Tanks, beispielsweise für die Toiletten, erforderlich. Das reduziert das Gewicht des Flugzeugs und damit die benötigte Energie für den Flugbetriebetrieb. Außerdem findet das in der Brennstoffzelle entstehende Luftgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff beim Sinken des Flugzeugs Verwendung für den notwendigen Druckausgleich innerhalb der Kerosin-Tanks. Das Gemisch hat einen weitaus geringeren Sauerstoff-Anteil als die Umgebungsluft, die das Flugzeug üblicherweise nutzt. Der geringe Sauerstoffgehalt im geleerten Kerosin-Tank des Flugzeugs verringert Explosionsgefahren.