Batterie, Akku und Brennstoffzelle vergleichen

Batterien, Akkus und Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Die chemische Energie steckt in Stoffen, nicht als fertiger Strom im Gerät.

Eine Zelle, die durch eine freiwillig ablaufende Redoxreaktion elektrische Energie liefert, heißt galvanische Zelle. Eine Batterie und eine Brennstoffzelle arbeiten beim Betrieb galvanisch. Ein Akku arbeitet beim Entladen ebenfalls galvanisch.

Die drei Systeme lassen sich mit drei Fragen unterscheiden:

1. Wird die entladene Zelle ersetzt? Dann handelt es sich im schulischen Grundmodell um eine Batterie.
2. Wird die Reaktion mithilfe einer Stromquelle umgekehrt? Dann handelt es sich um einen Akku.
3. Werden Reaktionsstoffe während des Betriebs fortlaufend zugeführt? Dann handelt es sich um eine Brennstoffzelle.

Beim Entladen läuft im Akku eine galvanische Reaktion ab. Elektronen fließen durch das angeschlossene Gerät und übertragen elektrische Energie.

Beim Laden erzwingt eine äußere Stromquelle die Reaktion in der Gegenrichtung. Dieser erzwungene Vorgang heißt Elektrolyse. Laden bedeutet daher nicht, Strom in den Akku zu füllen.

Eine PEM-Brennstoffzelle besitzt eine Anode, eine Kathode und eine protonenleitende Membran. Die Membran lässt Protonen passieren, aber keine Elektronen.

An der Anode gibt Wasserstoff Elektronen ab:

$$\mathrm{2\,H_2 \rightarrow 4\,H^+ + 4\,e^-}$$

Die Protonen wandern durch die Membran. Die Elektronen müssen den äußeren Stromkreis nehmen und können dort ein Gerät versorgen.

An der Kathode reagieren Sauerstoff, Protonen und Elektronen zu Wasser:

$$\mathrm{O_2 + 4\,H^+ + 4\,e^- \rightarrow 2\,H_2O}$$

Addiert man beide Teilreaktionen, treten Protonen und Elektronen auf beiden Seiten auf und kürzen sich. Es bleibt die Gesamtreaktion:

$$\mathrm{2\,H_2 + O_2 \rightarrow 2\,H_2O}$$

Die Gleichung ist ausgeglichen: Links und rechts stehen jeweils vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome. Elektrische Energie entsteht durch den getrennten Weg von Protonen und Elektronen.

Es gibt keine Energiequelle, die für jede Anwendung am besten ist. Beginne deshalb mit der Nutzungssituation und vergleiche anschließend dieselben Kriterien.

• Erneute Nutzung: Muss die Zelle ersetzt, geladen oder mit Brennstoff versorgt werden?
• Energiebedarf: Wie viel Energie wird zwischen Austausch, Laden oder Betanken benötigt?
• Zeit: Wie lange dürfen Laden, Austausch oder Betanken dauern?
• Masse und Platz: Wie schwer und groß darf das gesamte System einschließlich Speicher oder Tank sein?
• Wirkungsgrad: Wie viel der eingesetzten Energie wird in der gesamten Energiekette nutzbar?
• Infrastruktur: Sind Stromanschluss, Ladeplatz, Brennstoff und geeignete Speicherung verfügbar?
• Umweltwirkung: Welche Belastungen entstehen bei Herstellung, Betrieb, Transport und Entsorgung?
• Kosten: Welche Kosten verursacht das System über seine gesamte Nutzung?

Bei einer Wasserstoff-Brennstoffzelle genügt es nicht, nur das entstehende Wasser zu betrachten. Wasserstoff muss zunächst hergestellt, gespeichert und transportiert werden. Jeder dieser Schritte benötigt Energie. Emissionsarmer Betrieb am Fahrzeug beweist deshalb noch keine emissionsarme Gesamtbilanz.

Auch ein hoher Wirkungsgrad entscheidet nicht immer allein. Bei schweren Langstreckenfahrzeugen können zusätzlich Masse, Nutzlast, Reichweite, Lade- oder Betankungszeit und verfügbare Infrastruktur wichtig sein. Eine begründete Bewertung nennt daher zuerst die Anforderungen, vergleicht mehrere Kriterien und erklärt anschließend die Gewichtung.

Du kannst die Systeme nun über drei Leitfragen ordnen: Was wird gespeichert oder zugeführt? Was geschieht nach der Entladung? Welche Anforderungen stellt die konkrete Anwendung?