Der folgende Text ist ein wörtliches Transkript der Podcastfolge.
Talk Science to Me – der Wissenschaftspodcast der TU Graz
Hallo und herzlich Willkommen bei Talk Science to Me, dem Wissenschaftspodcast der TU Graz. Mein Name ist Birgit Baustädter und heute ist mein Gast Merit Bodner, die sich an der TU Graz mit der Alterung von Brennstoffzellen beschäftigt.
News+Stories: Liebe Merit, herzlichen Dank, dass du heute mein Gast bist und meine Fragen beantwortest. Wir werden heute sehr stark über Brennstoffzellen sprechen, weil das dein Forschungsgebiet ist. Brennstoffzellen sind ja ein sehr heißes Thema. Sie sind eine der Technologien, die uns in der Energiewende unterstützen werden und sie überhaupt erst möglich machen werden. Was ist eigentlich eine Brennstoffzelle?
Merit Bodner: Ja erst einmal vielen herzlichen Dank für die Einladung! Ich freue mich sehr, heute da zu sein und mich mit dir über ein so spannendes Thema unterhalten zu dürfen. Brennstoffzellen sind grundsätzlich ein elektrochemischer Energiewandler. Was bedeutet das? Das bedeutet, die chemisch gespeicherte Energie, im Wasserstoff in diesem Fall, kann direkt elektrochemisch umgesetzt werden und dann genutzt werden. Das macht Brennstoffzellen vergleichbar mit beispielsweise Batterien. Wobei im Gegensatz zur Batterie die Brennstoffe, die Reaktanten extern zugeführt werden. Das heißt, man hat nicht die Limitierung der aktiven Materialien wie es in einer Batterie der Fall ist. Sondern, man hat quasi eine unbegrenzte Kapazität, je nachdem, wie groß der Speicher ist. Und das macht Brennstoffzellen natürlich sehr interessant für viele Anwendungen. Und natürlich auch entsprechend komplex.
Das heißt im Grunde bei einer Brennstoffzelle habe ich irgendwo einen Tank, wo der Wasserstoff gespeichert wird, der dann durch die Brennstoffzelle quasi verstromt wird. Und bei einer Batterie habe ich das Ganze in einem System. Oder?
Bodner: Genau. Genauso ist es.
Gibt es verschiedene Arten von Brennstoffzellen?
Bodner: Ja. Es gibt grundsätzlich sehr viele Arten Brennstoffzellen. Und man kann sie auch unterschiedlich kategorisieren. Beispielsweise kann man varriieren, was für einen Brennstoff man verwendet. Wasserstoff ist quasi Standard. Aber grundsätzlich kann man sehr viele, sehr simple Moleküle verstromen auf diese Art. Andererseits kann man auch über unterschiedliche Temperaturen oder Zusammensetzungen der Materialien sie kategorisieren. Und das hat natürlich ganz eigene Anforderungen dann.
Hast du eine Lieblings-Brennstoffzelle?
Bodner: Ich arbeite hauptsächlich mit der Wasserstoff-Brennstoffzelle im Niedertemperaturbereich. Entsprechend ist das für mich natürlich ein bisschen die naheliegendste. Aber ich finde, es gibt grundsätzlich einen Haufen spannende unterschiedliche Typen, die dann je nach Anwendung auch unterschiedliche Potentiale oder Möglichkeiten bieten.
Du sagst Niedertemperaturbrennstoffzelle – in welchem Bereich bewegen wir uns da temperaturmäßig?
Bodner: Grundsätzlich ist die definiert als unter 100 Grad. Das heißt, man hat flüssiges Wasser. Was sie relativ komplex in der Anwendung zum Teil macht. Weil es ein delikates Wasser-Gleichgewicht gibt. Aber sie ist auch gleichzeitig die marktreifste und die, wo es die meisten Anwendungen bereits gibt.
Wie sieht eine Brennstoffzelle aus?
Bodner: Interessanter Weise relativ unspektakulär. Wenn man sie von außen betrachtet, dann ist sie nicht viel anders wie beispielsweise eine Batterie ist. Man hat mehr Zu- und Abluftverbindungen. Mehr Kühlflüssigkeit, die zugeführt und abgeführt werden muss. Aber grundsätzlich ist es einfach ein schlichter Bauteil. Ein Kastl. Und innen wird es leider auch nicht sehr viel spektakulärer in Bezug darauf, wie die Materialien drinnen ausschauen. Man hat sehr viel kohlenstoffbasierte Materialien. Die sind halt schwarz. Da gibt es wenig zu sehen. Der Teil einer Brennstoffzelle, der glaub ich der faszinierendste ist, ist die Membran. Die schaut auch nicht spektakulär aus muss man dazu sagen. Es ist im Endeffekt ein durchsichtiger Plastikfilm. Aber, wenn man sich überlegt, was diese Membran leistet, diese Protonenaustauschermembran, dann ist das faszinierend. Weil da hat man ein Material, das zwischen 20 und bis runter zu 8 Mikrometer dick ist. Das ist ein sehr dünner Plastikfilm. Im Vergleich dazu: Ein menschliches Haar hat 80 Mikrometer. Also da ist man circa bei einem Zehntel davon bei der Dicke. Und dann erwarten wir, dass dieses Bauteil, dieses Substanz, dieses Material für bis zu 80.000 Stunden haltet. Und das wären so 10 Jahre. Und nicht einfach nur haltet im Sinne von „in der Schublade liegt“. Sondern aktiv Arbeit leistet, aktiv Ionen austauscht. Das sind schon faszinierende Materialien, die da verwendet werden. Optisch aber leider nicht sehr imposant.
Was tut diese Membran?
Bodner: Also diese Membran separiert einerseits mal die beiden Gasseiten. Also den Wasserstoff von der Luft. Und muss auch gleichzeitig die Ionen leiten. Muss auch noch elektrisch isolierend sein und recht viele Wechsel aushalten. Die Membran leistet da wirklich massiv die Arbeit der Brennstoffzelle.
Das ist jetzt ein Teil der Brennstoffzelle – wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
Bodner: Grundsätzlich hat man einmal Wasserstoff und Luft, die zugefügt werden. Und die treffen dann auf den Platin-Katalysator, und dort stellt sich auf beiden Seiten ein Potential ein. Und über diese Potentialdifferenz kommt dann eine Spannung zustande. Und diese Spannung können wir dann energetisch nutzen. Das heißt, diese Spannung treibt dann den Strom, den wir durch einen externen Kreislauf durchführen und dann entsprechend nutzen können.
Wo wird heute die Brennstoffzelle schon eingesetzt?
Bodner: Einsatzmöglichkeiten gibt es grundsätzlich überall, wo wir Energie brauchen, wo wir Strom brauchen. Das reicht von z.B. Automotiv, das war zum Teil sehr im Fokus und sehr von Interesse. Mittlerweile geht der Trend eher in Richtung Heavy-Duty-Anwendungen. Das bedeutet Busse, LKWs, auch Müllabfuhr, in diese Richtung gehend. Da gibt es auch schon Anwendungen. Es gibt auch schon quasi serienreife Autos, die aber weniger im Fokus mittlerweile stehen. Man kann aber auch gleichzeitig zum Beispiel stationär verwenden. Da hat es z.B. in Japan ein relativ großes Projekt gegeben, wo stationär Haushalte versorgt werden. Und da hat man gleichzeitig Strom für den Grundbedarf, den man damit decken kann. Und kann auch die Abwärme nutzen. Weil bei der elektrochemischen Reaktion quasi als Nebenprodukt Wärme entsteht.
Das heißt, ich könnte eigentlich den ganzen Energiebedarf eines Haushaltes decken.
Bodner: Ja in dem Fall war der Gedanke, den Grundbedarf zu decken. Alle Dinge, die sich unbewusst einschalten, wie der Kühlschrank. Spitzenleistungen, darauf war sie nicht ausgelegt. Aber theoretisch könnte man das. Ja.
Warum wird das noch nicht gemacht?
Bodner: Wegen der Lebensdauer. Je mehr Dynamik man in den Betrieb rein bringt, desto weniger Lebensdauer kann man sich erwarten. Und das ist dann schlicht eine Kosten-Nutzen-Entscheidung, die man treffen muss.
Wenn das schon so gut funktioniert, wenn man damit den Grundbedarf eines Haushaltes decken kann – warum wird das noch nicht breitflächig eingesetzt?
Bodner: Also, was ich aus diesem Projekt aus Japan gehört habe, ist, dass dann statt zum Strombetreiber ist dann das ganze Geld in diesem Fall in die Versorgung mit Erdgas geflossen. Weil der Wasserstoff dann direkt vor Ort aus Erdgas erzeugt worden ist. Es ist oft einfach eine Frage der Verfügbarkeit, der Nachfrage, der Prominenz von solchen Projekten. Es ist relativ groß ausgerollt worden damals, aber immer wieder sukzessive kleiner geworden leider. Es gibt immer wieder große Projekte, wo sich viel tut. Und jetzt warten wir darauf, dass der große Durchbruch kommt.
Das heißt, Wasserstoff wird derzeit größtenteils noch aus Erdgas gewonnen oder aus fossilen Energieträgern?
Bodner: Ja, das stimmt. Leider. Es gibt natürlich auch sehr viele Bestrebungen, den Wasserstoff anders herzustellen. Und man muss dazusagen, dass Wasserstoff jetzt schon da ist sozusagen. Weil er in der Industrie schlichtweg als Wasserstoff genutzt wird. Jetzt nicht als Energieträger, sondern als Chemikalie im Endeffekt. Da wird Wasserstoff schon sehr stark gebraucht und verwendet. Und der wird quasi ausschließlich aus fossilen Energieträgern hergestellt. Über Elektrolyse aus Wasser oder anderen Prozessen kann man ihn natürlich auch grün herstellen. Aber ähnlich wie bei der Brennstoffzelle ist auch da noch die Notwendigkeit, diese Technologie auszubauen und wirklich auch großtechnischen auf den Markt zu bringen.
Das ist ein Punkt, an dem du mit der Forschung ansetzt, unter anderem auch. Du beschäftigst dich auch stark mit der Alterung von Brennstoffzellen. Du hast gerade erklärt, wie eine Brennstoffzelle ausschaut. Was passiert, wenn die altert? Als Mensch bekommt man Falten. Und die Brennstoffzelle?
Bodner: Lustiger Weise sind da Falten auch eines der Probleme, die zur Alterung führen können. Brennstoffzellen haben halt wie gesagt recht sensible Materialien. Ich habe schon über die Membran gesprochen, die sehr dünn ist. Wenn die unterschiedlichen Befeuchtungen ausgesetzt wird, kann sie sich ausdehnen und zusammenziehen. Je nachdem, wie viel Wasser sie aufnimmt. Und damit kann man natürlich auch einen mechanischen Stress verursachen – auf gut Deutsch faltet sie wirklich. Man bekommt wirklich Falten in die Membran und dadurch können sich Risse bilden und die Brennstoffzelle altern. Und irgendwann nicht mehr einsatzfähig werden.
Was kann man da dagegen tun?
Bodner: Eben da ist es hilfreich, wenn man einerseits den Betriebspunkt sehr stabil haltet. Das ist auch mit ein Grund, warum Dynamik die Lebensdauer beeinträchtigt. Mit ein Grund. Andererseits kann man auch sehr gut die Betriebsbedingungen abstimmen auf die Materialien, die man verwendet. Oder die Materialien natürlich auch entsprechend der Anwendung abstimmen. Also das ist ein sehr sensibles Gleichgewicht.
Welche anderen Möglichkeiten der Alterung gibt es?
Bodner: Im Endeffekt kann jede Komponente der Brennstoffzelle altern. Und je nachdem, wie ich sie betreibe, hat man unterschiedlich dominierte Degradationsmechanismen. Also man kann es schwer pauschal sagen, aber da haben wir schon relativ viel insgesamt herausgefunden, wie diese Mechanismen interagieren, wovon sie ausgelöst werden und entsprechend auch, wie man sie vermeiden kann.
Welche Auswirkungen hat diese Alterung?
Bodner: Üblicherweise sieht man das schlichtweg in einer Reduktion der Leistung und der Effizienz. Im Endeffekt braucht man dadurch schlichtweg mehr Wasserstoff, um die gleiche Leistung heraus zu bekommen. Weil mehr von der Energie des Wasserstoffs in Wärme umgesetzt wird. Also die Reaktion lauft weniger effizient ab. Und ich habe, wenn ich jetzt an einen PKW denke, weniger Reichweite mit der gleichen Beladung. Mit der gleichen Tankfülle. Und das gilt es natürlich zu vermeiden, weil irgendwann rentiert sich das schlichtweg nicht mehr. Und üblicherweise sagt man, bei 10 Prozent Leistungsverlust rentiert es sich einfach nicht mehr. Und natürlich werden auch die Materialien sensibler. Wenn sie altern und gewisse Funktionen nicht mehr so gut erfüllen können, dann wird man schlichtweg auch sensibler für nicht so optimale Betriebszustände, wo die Materialien es quasi frisch noch das gut wegstecken können, hat man die Kapazität schlicht nicht mehr. Und danach schlagen schlechte Betriebszustände umso mehr durch.
Das ist ja nicht das einzige Thema, mit dem du dich in der Forschung beschäftigst. Du schaust dir auch an, wie man gewisse Komponenten, gewisse Materialien in der Brennstoffzelle ersetzen kann durch nachhaltigere Alternativen. Kannst du mir darüber erzählen?
Bodner: Grundsätzlich ist es so, dass, wenn wir zu grünen Technologien wechseln wollen, dann sollten wir diese komplett durchdenken. Also eigentlich müssten wir die gesamte Wertschöpfungskette dieser Technologien genauso durchdenken, durchleuchten, wie es auch bei anderen Technologien der Fall ist. Und da sind diese grünen Energieträger, Technologien, grundsätzlich schon besser aufgestellt. Trotzdem gibt es einige kritische Substanzen da drinnen. Bei der Brennstoffzelle wäre eines dieser Beispiele das Platin, das abgebaut werden muss aus Erz. Das eine unglaublich geringe Dichte an Platin hat. Man hat wirklich nur 10 Gramm pro Tonne Platin im Roh-Erz im Abbau. Das heißt, dass ist erst einmal in üblicherweise sozial fragwürdigen Bedingungen gewonnen und dann auch noch mit diesem Impact dort vor Ort in den Mienen, weil man irrsinnig viel bewegen und Erz abbauen muss, um überhaupt zu kleinen Mengen an Platin zu kommen. Da ist einerseits der Ersatz des Platins und auch das Recycling des Platins ein Riesen-Thema. Um das in Relation zu setzen: In einem Stack – State-of-the-Art – hat man zwischen 400 und 2.000 Gramm pro Tonne. Das heißt, da ist man circa einen Faktor 200 höher als man im Roherz ist. Das heißt, es rentiert sich das Recycling ungemein. Gleichzeitig braucht man aber auch relativ viel Platin, um das zu realisieren. Und deswegen ist das natürlich spannend, das anzuschauen, durch was kann man das ersetzen und durch was kann man die energetische Ausbeute pro Gramm Platin erhöhen. Also die Massenaktivität. Das ist eines der Themen. Es gibt auch wie schon gesagt einige kohlenstoffbasierte Materialien in der Brennstoffzelle und man denkt sich, grundsätzlich: Kohlenstoff eh super. Das ist überall drinnen. Die Tatsache ist aber, dass der Kohlenstoff hauptsächlich aus fossilen Rohstoffen gewonnen wird und, das ist relativ schwer umsetzbar mit anderen Verfahren da auf Erneuerbare umzuschwenken, weil die einfach andere Charakteristiken haben. Das heißt, da ist auch einiges an Forschungsarbeit notwendig um zu schauen, wie kann man erneuerbare Materialien so behandelt und zu bearbeiten, damit man dann dennoch zu identen oder ähnlichen Eigenschaften kommt. Und da haben wir auch daran gearbeitet, um ein neues Verfahren oder einen neuen Ansatz zu verfolgen, wo wir die Schichten behandeln, um dann die gleichen Eigenschaften einzustellen. Und man hat gesehen, dass das tatsächlich nicht nur eine Herausforderung ist, sondern es kann auch ein Vorteil sein, weil man dadurch, wenn man das gezielter macht, wesentlich besser die Eigenschaften einstellen kann. Ein weiterer Stoff, der kritisch ist und den wir dadurch auch ein bisschen zurück drängen wollen ist das PTFE. Also Teflon im Endeffekt. Das wird beigesetzt und ist ein perflorierter Stoff, der relativ kritisch ist. Sowohl in der Herstellung als auch dann in der Verwertung, im Recycling-Prozess. Das bedeutet, da haben wir auch versucht, die gleichen Eigenschaften auch ohne PTFE herzustellen.
Wie schaut dein Arbeitsalltag aus?
Bodner: Natürlich sehr viel Projektarbeit. Ich habe mittlerweile ein Team, das sehr gut funktioniert und mit dem ich sehr gerne zusammenarbeite. Und mit denen ich mich abstimme, was so im Labor zu passieren hat, was spannende Themen sind, die nachverfolgt werden können, wo eventuell nicht so funktioniert haben, wie wir es uns vorgestellt haben. Wie es die Forschung halt so mit sich bringt. Und dann natürlich auch Lehre.
Du hast eine Laufbahnstelle an der TU Graz inne. Was ist eine Laufbahnstelle?
Bodner: Die Laufbahnstelle ist im Endeffekt der Weg hin zur Lehrbefugnis an der TU Graz. Das bedeutet, man einigt sich in einer Qualifizierungsvereinbarung auf gewisse Meilensteine, gewisse Dinge, die man erfüllen muss, wie zum Beispiel in der Lehre, wie viel man unterrichten muss und was. Und baut da eigenständig im Endeffekt den Arbeitsbereich auf.
Wo bist du da ungefähr?
Bodner: Ich habe jetzt zwei Jahre von in Summe sechs Jahren maximal hinter mir. Das heißt, mitten drinnen. Daran die Vereinbarung zu erfüllen.
Deine Laufbahnstelle ist im Bereich Mobility & Production. Ist das ein Bereich, der für dich immer schon ein relevantes Thema war?
Bodner: Das ist ein Bereich, wo sicher die Brennstoffzelle oder generell die Wasserstofftechnologien 100prozentig hineinpassen. Wo sie sehr viel davon abdecken. Weil die Brennstoffzelle einerseits für die Mobility notwendig ist und gleichzeitig die Production einer der größten Herausforderungen momentan ist. Also besser könnte es gar nicht passen.
Wie bist du in den Bereich gekommen? Du beschäftigst dich ja mit Wasserstofftechnologien. Wie war dein Weg dorthin? Wie hat das angefangen? Wo kommt dein Interesse her?
Bodner: Gestartet habe ich direkt nach meinem Bachelor auf der Ethanolbrennstoffzelle. Habe da das Thema spannend gefunden. Und grundsätzlich die Idee, dass man ein elektrochemisch gesehen komplexes Molekül wie Ethanol einfach verstromen kann direkt, ohne, dass man da den Zwischenschritt über die Verbrennung geht. Und das hat mich fasziniert. Und ich habe dann innerhalb meiner Arbeit und meiner Masterarbeit damit gearbeitet, dass ich eine Zelle selber geplant, konstruiert und zusammengebaut habe. Und mich hat das unglaublich fasziniert, dass man selber etwas bauen kann, wo man dann einfach nur Ethanol in diesem Fall hineingibt und es kommt Strom raus. Und man kann etwas messen. Und es funktioniert. Das hat mich von Anfang an fasziniert. Weil einerseits – und das hat man vor allem bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle – hat man relativ simple Elektrochemie auf den ersten Blick. Aber, je mehr man ins Detail geht, desto mehr sieht man, wie komplex das Zusammenspiel der unterschiedlichen Prozesse und unterschiedlichen Bedingungen auch ist. Also die Anwendungsorientiertheit, das Was-angreifen-können, was machen können, hat mich motiviert. Und die Komplexität hat mich dabei gehalten.
Gibt es für dich noch eine Forschungsfrage, die du gerne beantworten möchtest?
Bodner: Also ich glaube, es gibt grundsätzlich eben bei den Materialien noch sehr viel zu tun. Was es an großen Fragen bei der Brennstoffzelle noch gibt, ist einfach diese Abschätzung oder die Vorhersage der Lebensdauer. Wir wissen, was schiefgehen kann und, was nicht funktioniert. Aber, wenn wir jetzt eine Brennstoffzelle mit bekannten Materialien zusammenbauen, wirklich vorhersagen zu können, wie lange die tatsächlich in Betrieb bliebt, das ist etwas, was es noch nicht gibt. Das ist jetzt schon lange eine Frage, die schon lange unbeantwortet bleibt, aber, wo wir immer wieder mit jedem Forschungserfolg immer näher kommen, das zu beantworten.
Du wirst am TU Graz Wissenschaftstag Science for Future Ende September eine Keynote halten zum Thema Brennstoffzelle und Wasserstofftechnologien in der Produktion. Kannst du da schon ein bisschen verraten, worum es gehen wird?
Bodner: Ja, sehr gerne. Ich freue mich schon irrsinnig auf diesen Wissenschaftstag. Und auf meinen Vortrag dort. Ich werde auf jeden Fall auf genau das eingehen, wie komplex die Brennstoffzelle in den Materialien und in den Anforderungen an sie ist. Und, wie die Herausforderungen da sind, wenn wir die Brennstoffzelle wirklich durch und durch grün denken wollen. Da ist natürlich die Produktion eine große Frage. Wie produzieren wir nicht nur mit möglichst grünen Materialien, sondern auch möglichst effizient. Wo sind die Herausforderungen im großen Markteintritt der Brennstoffzelle? Da sind die Technologien grundsätzlich schon relativ reif, aber die Verfahren, um sie herzustellen, schlichtweg noch nicht so weit. Also, das ist die Komplexität, auf die ich dort eingehen will.
Klingt nach einer sehr spannenden Keynote. Ich werde die Veranstaltung am 27. September auch in den Show Notes verlinken, damit, falls jemand teilnehmen will, auch gerne noch dabei sein will. Herzliche Einladung an dieser Stelle.
Eine letzte Frage möchte ich noch stellen: Wenn du alle finanziellen Möglichkeiten hättest, wenn dir alles offen stehen würde in der Forschung, was würdest du umsetzen wollen?
Bodner: Also grundsätzlich muss man sagen: Mit mehr Geld geht natürlich mehr. Da gibt es quasi unbegrenzte Möglichkeiten, um auszuloten, welche unterschiedlichen Analysemethoden noch etwas bringen könnten, um die Brennstoffzelle besser zu verstehen und die Mechanismen dahinter, gerade in Bezug auf die Degradationsmechanismen, um die besser quantifizieren und verstehen zu können. Natürlich träumt man da von unbegrenzten Ressourcen, um all die auszuloten. Was aber tatsächlich das wichtigste ist, und das ist mit Geld schwer aufzuwiegen, sind motivierte und interessierte Nachwuchs-Wissenschafterinnen und -Wissenschafter, die gerne und kreativ an der Lösung dieser komplexen Probleme beitragen und denen die richtigen Rahmenbedingungen geben und da Infrastruktur und Ressourcen zur Verfügung zu stellen wäre für mich die absolute Priorität. Und da würden unbegrenzte Ressourcen primär reinfließen.
Vielen Dank für dieses Interview!
Bodner: Vielen Dank für die Einladung!
Vielen Dank, dass ihr heute wieder zugehört habt. In der nächsten Folge spreche ich mit Christopher Albert. Er ist theoretischer Physiker und beschäftigt sich mit Fusions-Energie.
