Mehr Kohle für Brennstoffzellen

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Mit neuen Fördermitteln will die EU die Lebensdauer von Brennstoffzellen optimieren. Besonders dem Abfallprodukt Wasser will man sich im Zuge des Großprojektes DECODE annehmen. Mit dabei sind auch deutsche Universitäten und deren Rechenzentren, die bei Simulationen von Brennstoffzellen Datenmengen bis zu 10 Terabyte beherrschen müssen.

Eine der beteiligten Forschungseinrichtungen ist die Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg. EU-weit ist ein Budget von insgesamt 5,6 Millionen Euro für die Forschungen vorgesehen. Mittels Experimenten und Computersimulationen wird in dem europaweiten Projekt untersucht, wie verhindert werden kann, dass flüssiges Wasser dünne Materialschichten in Brennstoffzellen beschädigt und so die Lebensdauer verkürzt.

Brennstoffzellen, die ursprünglich in den Apollo- und Space-Shuttle-Programmen für die Raumfahrt entwickelt wurden, wandeln chemische in elektrische Energie um. Inzwischen existieren unterschiedliche Arten, die auf verschiedenen Reaktionen basieren. Die bekannteste ist die Proton-Exchange-Membrane(PEM)-Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeitet.
Eine PEM-Brennstoffzelle besteht aus mehreren Schichten. An zentraler Stelle steht eine Membran, die lediglich für Protonen und deren positive Ladung “durchlässig” ist, jedoch nicht für Elektronen. Auf jeder Seite der Membran liegt eine Elektrode. Eine Metallplatte mit eingearbeiteten Kanälen leitet das Gas dorthin.

Wenn nun Wasserstoff auf der Anoden-Seite einströmt, können nur die Protonen des Gases die Membran passieren, die Elektronen jedoch werden aufgehalten. Sie müssen den Umweg über die Elektroden nehmen, passieren eine zwischengeschaltete Verbrauchsstation – beispielsweise einen Elektromotor – und geben dabei Energie ab. Auf der anderen Seite, der Kathode, kombinieren sie mit dem Sauerstoff der einströmenden Luft und den diffundierten Protonen zu Wasser. Da Wasserstoff leicht zu gewinnen ist und Wasser als einziges Endprodukt entsteht, sind Brennstoffzellen umweltfreundliche Energieerzeuger. Im Projekt DECODE (engl. Akronym für ‘Untersuchung von Degenerationsmechanismen zur Verbesserung von Komponenten und Design von PE-Brennstoffzellen’) soll das Verhalten des Wassers und seine Auswirkung auf die Lebensdauer der Materialien bestimmt werden.

Bei den Simulationen für diese Forschungen fallen riesige Datenmengen im 10-Terabyte-Bereich an, die gleichzeitig im Speicher des Computers gehalten werden müssen. Solch immens große Simulationen sind nur mit modernsten Supercomputern möglich, wie etwa dem leistungsfähigsten deutschen Rechner HLRB2 am Leibniz-Rechenzentrum in Garching.

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