Coburg tüftelt an Brennstoffzelle der Zukunft

Die Energiewende braucht neuartige Stromspeicher - und die Hochschule Coburg ist an der Entwicklung beteiligt.

Der Grund steht in Fechheim in Gestalt eines unauffälligen garagenähnlichen Gebäudes: Dort wird Strom aus Photovoltaikanlagen gespeichert, der nicht sofort verbraucht wird. Denn das ist das grundsätzliche Problem von Energie aus Sonne und Wind: Strom fließt, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht - aber nicht, wenn der Strom gebraucht wird.

Deshalb suchen Wissenschaftler und Unternehmen nach Möglichkeiten, diese Energie zu speichern. Eine Möglichkeit: Brennstoffzellen. In ihnen reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff; diese chemische Reaktion - Protonen und Elektronen werden vom Wasserstoff abgespalten - lässt sich zur Stromgewinnung nutzen. Brennstoffzellen könnten als Energiespeicher taugen, wenn die benötigten Gase Sauerstoff und Wasserstoff mithilfe von Strom aus Sonne, Wind oder Wasserkraft gewonnen werden. Das ist dann möglich, wenn wenig Strom verbraucht wird beziehungsweise dank der Witterung viel aus den "Erneuerbaren" zur Verfügung steht. Vorteil der Brennstoffzellentechnik: Es fallen im Betrieb keine giftigen Stoffe an, und als Ausgangsbasis braucht man nur Wasserstoff und Sauerstoff. Als Endprodukt der chemischen Reaktion entsteht Wasser - es gibt also keine Abgasbelastung.
Allerdings haben die in den 60er-Jahren entwickelten Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen), die zum Beispiel in der Raumfahrt eingesetzt wurden, einige Nachteile: Ihr Wirkungsgrad ist nicht sehr hoch (60 Prozent), und sie verschleißen schnell.

Hochschulen und Industrie

Der Forschungsverbund ForOxiE² möchte nun neue Brennstoffzellen entwickeln. Die Abkürzung ForOxiE² steht für "Oxidationsstabile und katalytisch aktive Werkstoffe für ,atmende‘ thermo-elektro-chemische Energiesysteme". Die Hochschule Coburg ist eine von vier Hochschulen in dem Verbund - neben den Universitäten Bayreuth, Erlangen und München sowie zehn Unternehmen.

Die Industrieunternehmen finanzieren das 4,31 Millionen Euro teure Projekt zum Teil. Unterstützung kommt von der Bayerischen Forschungsstiftung, die Grundlagenforschung fördert. Normalerweise hätten Hochschulen für angewandte Wissenschaft wie die Coburger derzeit noch kaum eine Chance, in einem solchen Projekt mitzuwirken, sagt Hochschul-Pressesprecherin Margareta Bögelein. Aber die Coburger verfügen über Daten, wann wie viel Strom aus Speichern abgerufen wird.

Diese Daten stammen aus dem unscheinbaren Gebäude in Fechheim, wo seit 2012 überschüssiger Strom aus den Photovoltaikanlagen im Ort gespeichert wird. Bis zu 200 Kilowattstunden können da für Zeiten mit wenig Sonne vorgehalten werden. An sonnigen Sonntagnachmittagen zum Beispiel läuft der Speicher voll, sagt Marco Höhn, der bei den Stadtwerken Neustadt das Pilotprojekt betreut. Vor allem abends werde der Strom wieder abgerufen.

Die Verbrauchsdaten aus Fechheim dienen nun als Grundlage für Belastungstests der zu entwickelnden Brennstoffzelle. Der Forschungsverbund ForOxiE² hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Materialien der Brennstoffzellen zu untersuchen und weiterzuentwickeln, um so die Voraussetzung für einen Einsatz in der Industrie zu schaffen.

Die Hochschule Coburg, genauer gesagt Professor Michael Rossner, Dekan der Fakultät Elektrotechnik und Informatik, als Projektleiter und Doktorand Tobias Blenk, übernehmen hier den elektrotechnischen Arbeitsbereich und führen Versuche mit einer PEM-Brennstoffzelle durch. Diese wird von dem Industriepartner Proton Motors Fuel Cells GmbH gestellt.

Membran unter Belastung

Im Fokus steht die Membran der Brennstoffzelle, denn hier läuft die chemische Reaktion ab, die Strom erzeugt. "Dabei ist von Interesse, wie die Membran unter anderem bei großer Überlastung, geringem Lastzustand sowie bei plötzlichen Schwankungen reagiert", erläutert Professor Rossner. "Wir erwarten uns Erkenntnisse, die zur Optimierung des Betriebsverhaltens der Brennstoffzelle beitragen können." Durch die Weiterentwicklung von Energiespeichern soll die Unterstützung der Netzstabilität verbessert werden.
Das Besondere am Forschungsverbund ForOxiE² ist, dass die Forschenden aus den Bereichen der Materialwissenschaft, der Elektrochemie und Elektrotechnik kommen und sich daher unter verschiedenen Gesichtspunkten der Erforschung von Membranmaterialien nähern. "Die Kooperation mit den Industriepartnern ermöglicht zudem eine praxisnahe Sicht auf die Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle in der Elektroenergieversorgung", erläutert Margareta Bögelein. Ziel ist es, einen Stromspeicher zu entwickeln, der das Stromnetz entlasten kann.
Effektive Brennstoffzellen können zudem in Mikro-Blockheizkraftwerken und der Autoindustrie Anwendung finden. Denn die Energiewende bedeutet nicht nur die Abkehr von Kohle- und Atomkraftwerken in der Stromversorgung: Auch beim Heizen und im Straßenverkehr müssen neue Energieträger gefunden werden. "ForOxiE² ist ein erster Schritt dazu", sagt Professor Rossner.
Mitarbeit: Mareike de Raaf