Vor- und Nachteile von Wasserstoff-Brennstofffzellen
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind nachhaltige Energiequellen, die geringe bis keine Kohlenstoffemissionen verursachen und künftig in Rechenzentren genutzt werden könnten.
Rechenzentren sind auf Elektrizität und fossile Brennstoffe wie Diesel oder Erdgas angewiesen, um kontinuierlich zu funktionieren und bei Bedarf Notstrom zu erzeugen. Das Stromnetz hat eine begrenzte Kapazität. Angesichts der steigenden Stromnachfrage müssen Rechenzentren auf energieeffizientere und nachhaltigere Ressourcen umsteigen. Derzeit laufen Tests mit Wasserstoff-Brennstoffzellen, um Rechenzentren mit null oder nur geringen CO2-Emissionen zu betreiben.
Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das Wasserstoff und Sauerstoff zur Stromerzeugung kombiniert. Wenn Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle reagieren, entsteht durch eine chemische Reaktion eine elektrische Ladung, die Satelliten, Fahrzeuge und Notstromaggregate antreibt. Bei der chemischen Reaktion entstehen außerdem Wasser und Wärme als nachhaltigere und umweltfreundlichere Nebenprodukte, die anderweitig genutzt werden können.
Laut dem Office of Energy Efficiency & Renewable Energy gibt es mehrere Arten von Brennstoffzellen. Sie werden nach den elektrochemischen Reaktionen in der Zelle, den Katalysatoren, die die Brennstoffzelle benötigt, dem Temperaturbereich, in dem die Zelle arbeitet, und dem erforderlichen Brennstoff klassifiziert.
Für Generatoren sind Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM), auch bekannt als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, oft eine Energiequelle. Phosphorsäure-Brennstoffzellen können auch die stationäre Stromerzeugung unterstützen.
Um ein großes Rechenzentrum mit einem Notstromaggregat zu versorgen, können Wasserstoff-Brennstoffzellen im Kern eines Brennstoffzellen-Stromversorgungssystems gestapelt werden. Die Stapel können aus Dutzenden oder sogar Hunderten von Brennstoffzellen bestehen. Die Bauweise des Brennstoffzellensystems hängt von der verwendeten Art ab. Bestimmte Arten, wie PEMs, erfordern besondere Aufmerksamkeit in Bezug auf Faktoren wie Feuchtigkeit, da sie im trockenen Zustand nicht gut funktionieren: Sie benötigen möglicherweise einen Luftbefeuchter.
Vorteile von Wasserstoff-Brennstoffzellen
Zu den Vorteilen von Wasserstoff-Brennstoffzellen gehören Effizienz, leiser Betrieb und Umweltfreundlichkeit sowie Flexibilität, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit.
Effizienz
Die Effizienz ist besonders für Rechenzentren interessant, die eine zuverlässige und leistungsstarke Notstromquelle benötigen. In einer Studie von Equinix und dem College of Design and Engineering der National University of Singapore wurden PEM-Brennstoffzellen mit anderen Arten alternativer Stromversorgungen verglichen. PEM-Brennstoffzellen zeigten in der Studie die höchste Effizienz und sie verbrauchten pro Megawattstunde am wenigsten Brennstoff.
Leiser Betrieb
Wasserstoff-Brennstoffzellen arbeiten leise, da die chemischen Reaktionen in den Zellen selbst stattfinden. Sie bestehen außerdem aus weniger Komponenten und beweglichen Teilen. Andere Arten der Stromerzeugung können eine erhebliche Lärmbelästigung verursachen, wie zum Beispiel Windenergieanlagen und Generatoren, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Das macht Wasserstoff-Brennstoffzellen zu einer attraktiven Option für Rechenzentren in der Nähe von oder in bewohnten Gebieten.
Umweltfreundlichkeit
Wasserstoff-Brennstoffzellen können geringe oder sogar keine Kohlenstoffemissionen haben. Sie erzeugen weder Kohlendioxid noch andere Luftschadstoffe. Wasserstoff ist eines der häufigsten Elemente im Universum, jedoch muss es für die Nutzung als Brennstoff erst aus anderen Verbindungen gewonnen werden. Es gibt jedoch einige Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, die nicht nachhaltig sind, wie die thermochemische Methode, bei der Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird.
Wind- und Sonnenenergie können genutzt werden, um Wasserstoff durch Elektrolyse herzustellen. Mit dieser Umwandlung können drei erneuerbare und nachhaltige Ressourcen zum Betrieb von Rechenzentren beitragen und den Verbrauch fossiler Brennstoffe und die Belastung des Stromnetzes verringern.
Wasserstoff ist ein effektiver Energieträger. Er kann Energie problemlos transportieren, speichern und liefern.
Flexibilität, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit
Wasserstoff ist ein effektiver Energieträger. Er kann Energie problemlos transportieren, speichern und liefern. Der stationäre Brennstoff ist eine gute Option für die Notstromerzeugung, da Wasserstoff-Brennstoffzellen nur Wasserstoff und Sauerstoff benötigen, um zu funktionieren. Sie können auch für große Anwendungen wie Serverschränke eingesetzt werden.
Nachteile von Wasserstoff-Brennstoffzellen
Zu den Nachteilen von Wasserstoff-Brennstoffzellen gehören Temperaturempfindlichkeit, Kosten, Sicherheit und Wasserstofflecks.
Temperaturempfindlichkeit
Jeder Brennstoffzellentyp muss bestimmte Temperaturbereiche einhalten, um eine optimale Leistung zu erzielen und eine Zersetzung der Bauteile zu verhindern. PEM-Brennstoffzellen, die am häufigsten für Notstromaggregate verwendet werden, können bei niedrigen Temperaturen von etwa 80 Grad Celsius betrieben werden. Dadurch können die Brennstoffzellen schnell und mit geringerer Aufwärmzeit gestartet werden. Die Herausforderung besteht darin, dass die Temperatur in der gesamten Zelle konstant sein muss.
Abgesehen von der PEM-Brennstoffzelle benötigen die anderen Typen sehr hohe Temperaturen, um zu funktionieren. Höhere Temperaturen führen zu einer stärkeren Abnutzung der Batteriekomponenten.
Kosten
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind teurer als die meisten anderen Arten der Energieerzeugung. Je nach Brennstoffzellentyp sind bestimmte wertvolle Materialien erforderlich, damit die Brennstoffzelle funktioniert, was die Produktionskosten in die Höhe treiben kann.
Außerdem fehlt es an einer weit verbreiteten Infrastruktur für die Nutzung von Wasserstoff. Um die Kosten für Wasserstoffkraftstoff zu senken, muss sich die Infrastruktur weiterentwickeln, damit der Kraftstoff auf dem Markt Fuß fassen kann.
Sicherheit
Laut dem Center for Hydrogen Safety zählt die hohe Entflammbarkeit zu den größten Herausforderungen bei der Nutzung von Wasserstoff. Außerdem benötigt Wasserstoff nur sehr wenig Energie, um sich zu entzünden. Diese beiden Faktoren führen zu einer potenziell gefährlichen Umgebung, die einer breiten Einführung des Kraftstoffs entgegenstehen könnte.
Wasserstoffleckagen
Laut einer Studie des Center for International Climate Research entweicht ein Teil des Wasserstoffs bei Transport, Lagerung und Verwendung in die Atmosphäre. Obwohl Wasserstoff in der Atmosphäre natürlich vorkommt, kann ein hoher Wasserstoffanteil die Verweildauer von Treibhausgasen wie Methan verlängern.
Entweichender Wasserstoff hat laut dieser Studie eine bis zu 12-mal stärkere indirekte Treibhauswirkung als Kohlendioxid. Angesichts dessen muss die Wasserstoffindustrie einen Weg finden, den Wasserstoff besser einzuschließen und diese Leckagen zu begrenzen, damit eine Wasserstoffwirtschaft lebensfähig ist.
Die Zukunft der nachhaltigen Energie?
Die Zeit wird zeigen, ob Wasserstoff-Brennstoffzellen der nächste nachhaltige Brennstoff sind. Weitere Forschung ist notwendig, um die tatsächliche Umweltbilanz von Wasserstoff umfassend zu bewerten.
Einige Unternehmen experimentieren mit Wasserstoff-Brennstoffzellen, um ihre Lebensfähigkeit zu testen. So wollen Microsoft und Plug Power, ein führender Hersteller von Wasserstoff-Brennstoffzellen, ein Brennstoffzellensystem entwickeln, das drei Megawatt Leistung liefern könnte – genug, um 10.000 Server zu betreiben.
Im August 2024 gab Plug bekannt, dass Microsoft in einem Pilotprojekt erfolgreich 48 Stunden lang Server-Racks betrieben hat. Dieser Test beweist, dass Wasserstoffzellen Teile eines Rechenzentrums mit Strom versorgen können, allerdings vorerst mehr für Backup-Zwecke als für den Dauerbetrieb.
Plug kooperiert auch mit Unternehmen wie Amazon und BMW, um den Einsatz von Wasserstoff in Rechenzentren zu erproben, und erwartet, dass die Nachfrage nach Wasserstoff-Brennstoffzellen in der zweiten Hälfte des Jahres 2025 ansteigen wird. Auch das US-Energieministerium will Wasserstoff-Brennstoffzellen finanzieren und in sie investieren, um den Klimawandel zu bekämpfen.
Wenn Wasserstoff-Brennstoffzellen technisch sicherer, erschwinglicher und auf dem Markt für die breite Masse verfügbar werden, könnten sie eine praktikable Option sein, die zum Schutz der Umwelt vor Kohlenstoffemissionen und Treibhausgasen beitragen kann. Vorerst sollten Administratoren von Rechenzentren, die eine nachhaltiger Technologie einsetzen wollen, die Entwicklung des Marktes beobachten, bevor sie Wasserstoff-Brennstoffzellen kaufen.
