Computer Mini-Kraftwerke für den Laptop

Im Sommer ist ein tragbarer Computer eine feine Sache: Im Freiluft-Büro auf der grünen Wiese bleibt nur eine Sorge: Wie lange hält der Laptop-Akku? Ein lösbares Problem: Die Brennstoffzelle für mobile Kleingeräte ist fast schon reif für den Markt.
Von Katja Rieger

Hamburg - Heute ist beim Kauf eines mobilen Rechners oft nicht mehr die Größe der Festplatte oder die Geschwindigkeit des Prozessors entscheidend, sondern die Laufzeit ohne Netzstecker. Ein herkömmlicher Lithium-Akku hält etwa zwei bis vier Stunden - also noch nicht einmal einen halben Arbeitstag lang. Vor allem die Farbdisplays moderner Laptops verbrauchen viel Strom.

"Die Akku-Technik stößt an ihre Grenzen", sagt Jürgen Mergel, Diplom-Ingenieur und Abteilungsleiter am Institut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik im Forschungszentrum Jülich. "Es müssen dringend alternative Techniken her." Längst basteln die Hardware-Hersteller an einer leistungsfähigeren und zugleich umweltfreundlicheren Energiequelle: der Brennstoffzelle.

Brennstoffzellen sind kleine Kraftwerke. Sie bestehen im Prinzip aus einer Kathode und einer Anode, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. In der Zelle wird ein Brennstoff - in diesem Fall Methanol - in einer kontrollierten elektrochemischen Reaktion mit Sauerstoff in Strom umgewandelt.

Zeit für die Entwicklung

So liefert die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle des japanischen Herstellers Toshiba, die auf der diesjährigen Computermesse Cebit in Hannover für Aufsehen sorgte, je nach Größe der Kartusche fünf bis zehn Stunden elektrischen Strom. Sie wird wie ein Ladegerät an den Laptop gesteckt und erzeugt die Energie direkt dort, wo sie gebraucht wird. Neigt sich der Inhalt der Methanol-Kartusche dem Ende zu, wird sie - ähnlich wie eine Druckerpatrone - einfach ausgewechselt. Die einzigen Abfallprodukte bei diesem Vorgang sind geringe Mengen von Wasserdampf und Kohlendioxid.

Gleiches gilt für den so genannten Marathon-Koffer der Consel Kofferlösungen GmbH, der in Kooperation mit der Mannheimer Firma Smart Fuel Cell (SFC) entwickelt wurde: Er enthält einen Laptop, eine Brennstoffzelle und sieben Methanol-Kartuschen für eine Betriebszeit von insgesamt 50 Stunden. Nach Angaben von Toshiba und SFC sollen die Brennstoffzellen-Systeme schon im nächsten Jahr auf den Markt kommen.

Mergel, der seit zehn Jahren mit der Technik experimentiert, hält die Euphorie jedoch für verfrüht. "Die Hardware-Hersteller dürfen nicht die gleichen Fehler machen wie die Automobilindustrie", warnt er. "Da wurden die ersten serienreifen, mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuge für 2003 und 2004 angekündigt - inzwischen ist nur noch von 2012 die Rede."

Die kleinen Kraftwerke sind noch zu groß

Auf die Größe kommt es an

Der Forscher aus Jülich rechnet damit, dass die Techniker der Hardware-Firmen noch mindestens bis 2005 brauchen, um die Brennstoffzelle für elektronische Kleingeräte zur Marktreife zu bringen. "Auch wenn sie in ihrer Leistungsfähigkeit dem Lithium-Akku bereits überlegen ist - das System altert noch zu schnell", sagt Mergel. "Ein Akku hält im Durchschnitt 200 bis 300 Ladezyklen, das entspricht etwa 1000 Stunden. Die Brennstoffzelle sollte es mindestens auf 2000 Stunden Lebensdauer bringen - schließlich wird sie mehr als das Doppelte kosten."

Ein weiteres Problem: Noch sind die kleinen Kraftwerke zu groß, um in das Innere eines Laptops zu passen: Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle von Toshiba beispielsweise wiegt fast ein Kilo und misst 27,5 mal 7,5 mal vier Zentimeter. Zwar ist es dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) gelungen, eine streichholzschachtelgroße Mikro-Brennstoffzelle zu entwickeln, statt mit Methanol wird das System jedoch mit Wasserstoff betrieben.

Die Eigenschaften dieses gasförmigen Brennstoffs, der durch kleinste undichte Stellen entweichen kann, erschweren jedoch die Handhabung und Lagerung. Wasserstoff ist in Verbindung mit Sauerstoff explosiv - so mancher wird sich in diesem Zusammenhang an die Knallgas-Experimente aus dem Chemieunterricht erinnern. Kein Wunder also, dass die meisten Hardware-Firmen, unter anderem Giner, Motorola, NEC, Samsung, Sanyo und Sony, mit Methanol-Brennstoffzellen experimentieren.

Für den Brennstoff Methanol gibt es bereits eine Infrastruktur, die ausbaufähig ist: Es lässt sich ähnlich handhaben wie Benzin und könnte über den Computer-Fachhandel, Tankstellen und Drogerien vertrieben werden. Die behördlichen Hürden sind jedoch nicht zu unterschätzen: So ist beispielsweise noch unklar, ob Fluggesellschaften den Passagieren erlauben werden, methanolbetriebene tragbare Computer mit an Bord zu nehmen.

Wohin die Reise geht, ist klar - die Reisevorbereitungen sind jedoch noch längst nicht abgeschlossen.

Kurz erklärt: So funktioniert die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Bei Direkt-Methanol-Brennstoffzellen wird flüssiges Methanol direkt als Brennstoff eingesetzt. Das Methanol (CH3OH) reagiert mit Sauerstoff (O2), das durch einen Lüfter zugeführt wird. Die Zelle wandelt das Methanol direkt in Protonen, freie Elektronen und Kohlendioxid (CO2) um. Ein Katalysator spaltet an der Anode die Brennstoffmoleküle in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen auf.

Die Protonen durchqueren die Membran und wandern zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff und Elektronen reagieren - Wasserdampf entsteht. Inzwischen laufen die Elektronen, weil sie die Membran nicht durchdringen können, durch einen Draht "außen herum" - Strom fließt.

Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine sehr geringe Spannung erzeugt, werden je nach benötigter Spannung mehrere Brennstoffzellen zu einem so genannten Stack (englisch: Stapel) elektrisch verschaltet. Ein Reformer, wie er bei wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen gebraucht wird, um den Wasserstoff aus flüssigen Kraftstoffen zu erzeugen, ist bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle unnötig.

Die Vorteile der Brennstoffzelle gegenüber Batterien und Akkus:

  • längere Betriebszeit
  • höhere Energiedichte (Wh/kg)
  • höhere Lebensdauer
  • kein Memory-Effekt (Verringerung der Akkukapazität durch mehrfaches Wiederaufladen)
  • Recyclingfähigkeit

Die Wiedergabe wurde unterbrochen.