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Wasserstoff-Brennstoffzellen – emissionsfreie Personenzüge?

SCHWERPUNKTTHEMA: INNOVATION UND TECHNOLOGIE

Auszug aus dem dreibändigen Fachbuch “Rolling Stock in the Railway System”, aus dem Englischen übersetzt von Reinhard Christeller

Das grundlegende Ziel einer drastischen Verminderung von Treibhausgas-Emissionen (THG) führt zu einem starken Druck auch im Bahnsektor, fahrdrahtunabhängige emissionsfreie Personenzüge zu entwickeln. Im Stadtverkehr gibt es bereits Lösungen mit Batteriebetrieb, aber auch wenn die Batterien kein CO2 ausstoßen, haben sie doch einige Nachteile: eine begrenzte Autonomie, eine lange Aufladezeit und eine begrenzte Lebensdauer. Thermische Triebzüge haben diese Nachteile nicht, aber sie verschmutzen, ihre Tage sind gezählt, sie werden allmählich verschwinden.

Die zu lösende Gleichung lautet wie folgt: Keine THG-Emissionen + keine Oberleitungen + hohe Autonomie + schnelles Aufladen = zukünftiges Transportsystem.

Eine vielversprechende Lösung, diese Gleichung zumindest teilweise zu lösen, scheint sich derzeit rasant zu entwickeln: die Wasserstoff-Brennstoffzelle (BZ).

Die Brennstoffzelle könnte in Zukunft zu einem schrittweisen Verzicht auf Dieselmotoren und sogar zum Verschwinden von Oberleitungen führen. Diese Technologie ist schon lange bekannt, Sir Williams Grove entwickelte 1839 seinen Brennstoffzellen-Prototyp und die ersten echten Anwendungen gab es bei den amerikanischen Raumfahrtprogrammen (Gemini und Apollo) in den 1960er Jahren. Jetzt halten Brennstoffzellen nach und nach Einzug in die Welt des Landverkehrs, des Autos und der Bahn.

Wir können sagen, dass im Bahnverkehr eine echte Revolution stattfindet, mit neuen Formen der Energieversorgung von Schienenfahrzeugen. Ursprünglich gab es Kohle, dann Strom und Diesel, heute betritt ein neuer Energievektor die Szene: der Wasserstoff. Der Durchbruch ist noch zaghaft, aber die Verpflichtung, die CO2-Emissionen in kürzester Zeit drastisch zu reduzieren, spielt zu seinen Gunsten. Ein weiterer Kandidat ist auf den Rängen, das sind Batterien, ihre Technologie schreitet schnell voran, aber bis heute bleibt Wasserstoff die einzige Alternative zum Verbrennungsmotor für Vorort- und Fernverkehrszüge auf nicht elektrifizierten Strecken, und das sind noch viele.

Es gibt verschiedene Brennstoffzellentechnologien, abhängig vom verwendeten Brennstoff, der Art des Elektrolyten, der Betriebstemperatur. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich auf die Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), die bisher am häufigsten eingesetzte Brennstoffzelle für Bahnanwendungen.

Eine Brennstoffzelle ist nur ein elektrochemischer Wandler wie eine Batterie, aber ohne internen Energiespeicher, die Brennstoffspeicherung, hier komprimierter gasförmiger Wasserstoff, erfolgt extern in Tanks. Die chemische Energie des Wasserstoffs wird über eine Reduktions-Oxidations-Reaktion (Redox-Reaktion) direkt in elektrische Energie umgewandelt: Wasserstoffoxidation durch den in der Luft enthaltenen Sauerstoff.

Die chemische Reaktion läuft wie folgt ab:

An der Anodenseite (negative Elektrode):      H2 → 2H+ + 2e Dissoziation des molekularen Wasserstoffs in Protonen und Elektronen

An der Kathodenseite (positive Elektrode):      ½ O2 + 2H+ + 2e →H2O Rekombination von Protonen, Elektronen mit Sauerstoff zu Wasserdampf.

Die globale Reaktion ist einfach:               H2 + ½ O2 →H2O + Strom + Wärme

Abb. 1: Prinzip einer elementaren PEM-Brennstoffzelle
Abb. 2: Hauptkennlinien einer PEMFC: Spannung, Wirkungsgrad, Leistung versus Stromdichte

Prinzip einer PEM-Brennstoffzelle

Brennstoffzellen erzeugen Strom durch „Verbrennung“ von Wasserstoff, der in Bezug auf den Heizwert dreimal effizienter ist als ein Kohlenwasserstoff (jeweils 33,3 kWh/kg und 12 kWh/kg). Ihr Einsatz hat unbestreitbare Vorteile: keine lokale Verschmutzung (das Produkt der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff in der Luft ist Wasser!), sehr geringe Geräuschentwicklung, keine Vibrationen und ein Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 50 %.

Eine Elementarzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Festelektrolytmembran, in der Regel aus Nafion® (du Pont de Nemours), getrennt sind, der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen 50 °C und max. 100 °C.

Molekularer Wasserstoff wird an der Anodenplatte in die Gasdiffusionsschicht eingebracht. In Gegenwart der Platinkatalysatorschicht, die die Reaktionen erleichtert und beschleunigt, wird der Wasserstoff H2 in positive Ionen H+ (Protonen) und Elektronen gespalten. Die Protonen durchqueren die Polymermembran, die eine hohe protonische Leitfähigkeit, aber eine niedrige elektronische Leitfähigkeit aufweist, so dass die Elektronen einem externen Stromkreis folgen. An der Kathodenplatte rekombinieren die Protonen und Elektronen mit dem Sauerstoff der Luft und erzeugen Wasserdampf und Wärme (Abbildung 1).

Die theoretische Spannung V0 einer Elementarzelle beträgt 1,23 V, die mittlere Nennspannung VN liegt jedoch bei etwa 0,7 V, abhängig von der Stromdichte (A/cm2) in der Zelle. Der Spannungsabfall ist auf die Summe verschiedener Phänomene zurückzuführen: Aktivierung der elektrochemischen Reaktionen an Anode und Kathode, ohmscher Widerstand von Elektroden und Elektrolyt, Begrenzung der Gasdiffusion in den Schichten (Abbildung 2).

Der Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle liegt über 50 %, er entspricht dem Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur Verbrennungsenergie des Wasserstoffs.

Um eine bestimmte Ausgangsspannung Vstack zu liefern, werden die Elementarzellen in Reihe geschaltet, der Zellstapel bildet den Kern der Brennstoffzelle, der gelieferte Strom Istack ist direkt mit dem Wasserstofffluss im Stapel verknüpft:

Vstack = N ∙ Vcel ∙ Istack= 2 ∙ F ∙ FH2/N

mit:

Vcell elektromotorische Kraft einer Elementarzelle ≈ 0,7 V

N        Anzahl der Zellen in Reihe

F       845 C/mol (Faraday-Konstante)

FH2    Wasserstofffluss durch den Stack (mol/s) mit einem H2-Mol = 2g

Abb. 3: Elementarzelle und Zellenstapel

Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ist die Schlüsselkomponente; sie besteht aus den positiven und negativen Elektroden, zwischen denen sich d