Energie anno 2000

Sonne, Wind, Wasserkraft - aus diesen erneuerbaren Energiequellen wird, darüber sind sich viele Experten einig, die Elektrizität im Jahr 2000 kommen. Bei der sich anbahnenden „Energiewende" — weg von den nur begrenzt vorhandenen fossilen Brennstoffen — spielt die elektrochemische Energieumwandlung und -speicherung eine Schlüsselrolle.

österreichische Wissenschaftler sind an der Erforschung dieser zukunftsträchtigen Energiegewinnung an vorderster Front beteiligt. Am Forschungsschwerpunkt „Elektrochemische Energieumwandlung und Energie-speicherung", der mit 25 Millionen Schilling vom Fonds zur För-

derung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) gefördert wird, arbeiten Wissenschaftler der Technischen Universität Graz, der Technischen Universität Wien und der Universität Wien im Rahmen von neun Teilprojekten.

Den zentralen Aspekt stellt dabei das Brennstoffzellenentwicklungsprogramm unter Leitung von Karl Kordesch (Vorstand des Instituts für Chemische Technologie anorganischer Stoffe der Technischen Universität Graz) dar.

Für die Gewinnung elektrischen Stromes aus chemischer Energie sind Brennstoffzellen auf lange Sicht am aussichtsreichsten: Sie „arbeiten" mit vergleichsweise geringem Energieverlust und sind absolut umweltfreundlich. Bewährt haben sie sich schon bei ihrem Einsatz im Weltraum - bei den amerikanischen „Apollo"-Programmen und in der Raumfähre „Space Shuttle" - für den Großeinsatz auf der Erde bedarf es aber noch umfangreicher Entwicklungsarbeit, vor allem bei den verwendeten Materialien und Herstellungsmöglichkeiten, um die zurzeit noch sehr hohen Kosten zu reduzieren.

Und so funktioniert eine Brennstoffzelle: Sie besitzt im Inneren Vorrichtungen zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrischen Strom. Die Stoffe, die dazu benötigt werden, befinden sich außerhalb der Zelle in einem Vorratsbehälter. Die Brennstoffzelle kann daher, im Gegensatz zur Batterie, nie entladen werden, es muß nur immer genügend „Brennstoff" in den Behälter nachgefüllt werden.

Brennstoffzellen brauchen für ihre .Arbeit" Wasserstoff und Sauerstoff. Beide chemischen Ele-

mente sind praktisch überall und unbegrenzt verfügbar, im Wasser. Mittels Elektrolyse werden sie getrennt und dienen in der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung und als Energiespeicher.

„Die Brennstoffzelle ist einzigartig in der Möglichkeit, die hohe .Negentropie' (Verfügbarkeit der Energie) des Wasserstoffes auszunützen. Der Wirkungsgrad beträgt 50 bis 65 Prozent gegenüber 20 bis 25 Prozent in Verbrennungskraftmaschinen", erläutert Karl Kordesch. Da das Reaktionsprodukt bei diesem Vorgang immer nur reines Wasser ist, wird die Umwelt bei dieser Technologie nicht belastet.

Die Forschungen konzentrieren sich vor allem auf die Elektroden, Kernstück jeder Brennstoffzelle, an denen durch eine chemische Reaktion elektrischer Strom erzeugt wird. Sie sind für die entscheidenden Merkmale der Energielieferanten, nämlich Wirkungsgrad, Stromdichte, Lebensdauer und Preis, verantwortlich.

Ein Forschungsziel der Grazer Wissenschaftler ist es, die bei den Brennstoffzellen verwendeten Kohleelektroden zu verbessern. Denn Wirkungsgrad und Lebensdauer hängen vor allem von der Zusammensetzung der Kohleschichten und den Eigenschaften der verwendeten Kohlen ab. Gute internationale Kontakte der heimischen Forscher zeigen sich auch beim Projekt zur Entwicklung bipolarer Brennstoffzellen-Elektroden, wo eine enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Hydrogene Systeme in Toronto (Kanada) besteht. Vor allem die hohen Herstellungskosten sollen durch diese Entwicklunsarbeit gesenkt werden.

Denn gerade die Kosten sind nach wie vor die Hürde, an der die Massenproduktion der Brennstoffzellen noch scheitert. Erste Erfolge in Richtung Verbilligung konnte das Grazer Forscherteam bereits verbuchen. „Um die chemischen Reaktionen zu ermöglichen, werden die Elektroden mit Zusätzen von sehr teurem Platin (als Katalysator) aktiviert. Es ist uns gelungen, mit einem Zehntel

der bisher nötigen Menge auszukommen, ohne daß dadurch die Leistung beeinträchtigt wird", erklärt Karl Kordesch. Der weltweite Einsatz der Brennstoffzellen wird aber erst dann wirtschaftlich vertretbar sein, so der Wissenschaftler, wenn es gelingt, sie maschinell in Serie herzustellen.

Nach der Bewährung der Brennstoffzellen im Weltraum — ohne Rücksicht auf die Kosten — begann man in den siebziger Jahren, diese Technologie auch auf der Erde anzuwenden.

Alkalische Brennstoffzellensysteme wurden versuchsweise in Traktoren, Gabelstapler, Golf-Wagen und Militärfahrzeuge eingebaut. Persönlich getestet hat der Forscher dieses System, gekoppelt mit einer Bleibatterie, in seinem eigenen Personenauto. Das Fahrzeug wurde von 1970 bis 1974 im öffentlichen Verkehr benutzt. Im Stadtverkehr reichte eine „Wasserstoffüllung" für etwa 200 bis 300 Kilometer, und innerhalb von zwei Minuten konnten die Druckzylinder für den Wasserstoff wieder aufgefüllt werden. Die parallel geschaltete Bleibatterie diente zur besseren Beschleunigung und für kurze Bergstrecken. Zurzeit ist auch wieder ein Kleinwagen des Grazer Instituts als „Versuchsstand" ausgerüstet.

Kleine Zellen sollen aber auch zur Stromerzeugung eingesetzt werden, zum Beispiel als Ersatz für umweltbelastende Dieselmotorgeneratoren, die in entlegenen Gebieten den Strom liefern. Als Anwendungsgebiet mittelgroßer Anlagen gilt die Produktion von Strom in Kraftwerken innerhalb von Stadtbezirken. Große Brennstoffbatterien schließlich sollen in Zukunft für den Lastenausgleich in Verbundnetzen zur Speicherung überschüssiger Energie sowie zur zusätzlichen Energieerzeugung während Engpässen sorgen.

Und wann wird die „Zukunft" der umweltfreundlichen Energiespender tatsächlich beginnen? „Mit den heute erreichbaren hohen Stromdichten und Lebenserwartungen der Wasserstoff-Luft-Zellen mit Kohleelektroden wäre es ohne weiteres denkbar, daß preiswerte Brennstoffzellen-Systeme für die Energiespeicherung und den Langstrecken-Fahrzeugverkehr innerhalb von zehn bis 15 Jahren entwickelt werden könnten", prognostiziert Experte Kordesch.