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Energieerzeugung mit Brennstoffzellen

Erste Brennstoffzellen wurden in U-Booten wie auch in der Raumfahrt eingesetzt, zum Ende der 1990er Jahre wurde die Brennstoffzelle auch für den normalen Gebrauch weiter entwickelt und galt schnell als die Energiequelle der Zukunft. Technische Probleme und die hohen Kosten bei der Herstellung ließen die Begeisterung allerdings schnell wieder abflauen. In den letzten Jahren haben sich Hersteller und Forscher der Energie wieder angenommen. Wärme und Strom aus Wasserstoff, einem absolut umweltfreundlichen Energieträger ist wieder in den Bereich des Möglichen gerückt und einige Anbieter haben bereits Geräte für die Strom- und Wärmeerzeugung auf den Markt gebracht.

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Prinzip der Brennstoffzelle

In einer Brennstoffzelle wird chemische Reaktionsenergie in Strom und Wärme verwandelt. Das Prinzip ist dabei gar nicht mal so kompliziert. In der Zelle befinden sich zwei Elektroden, die durch eine Elektrolytenschicht voneinander getrennt sind. Nach den Seiten getrennt werden Sauerstoff und Wasserstoff in die Brennstoffzelle eingeleitet. Durch eine chemische Reaktion trennen sich die Wasserstoffmoleküle in zwei Elektronen und zwei Protonen auf. Die Protonen können die Trennschicht aus Elektrolyte durchqueren und gelangen so auf die Seite des Sauerstoffs. Dabei wird gleichzeitig Wärmeenergie frei. Die Elektronen gelangen über einen Stromkreis ebenfalls zur Sauerstoffseite, dort herrscht ein Mangel an Elektronen. Aus dem Sauerstoff sowie den Protonen und Elektronen des Wasserstoffs entsteht reines Wasser. Die Spannung, die die Elektronen beim Durchqueren des Stromkreises erzeugen entspricht mit 1,2 Volt der einer kleinen Batterie. Durch Hintereinanderschaltung, bzw. Stapelung mehrere Brennstoffzellen zu einem sogenannten „Stack“ wird die nötige Spannung ganz einfach angesammelt. Durch die Funktionsweise gehören Brennstoffzellenheizungen zur Gruppe der Kraftwärmekopplungsgeräte.

Der für die Energieerzeugung mit der Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff stammt heute noch größtenteils aus der Umwandlung von Erdgas. Für die Zukunft und für ein energetisch rundes Konzept deutet sich die Nutzung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff an. Dies ist zum Beispiel über die Nutzung von Biogas oder per Elektrolyse aus Windkraft erzeugtem H2 denkbar. 

Die Vorteile der Brennstoffzellenheizung

Einer der größten Vorteile der Brennstoffzelle liegt darin, dass emissionsfreie Energie erzeugt werden kann. Bei der Produktion entstehen weder Lärm noch Abgase, das Abfallprodukt der Energiegewinnung ist reines Wasser, das wiederum in den Trinkwasserkreislauf eingespeist werden kann. Hinsichtlich der Energieerzeugung überzeugt vor allem der hohe Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Die Ausbeute lässt sich bei entsprechender Weiterentwicklung so optimieren, dass aus der Brennstoffzelle 60 % Strom und 40 % Wärmeenergie zu gewinnen sind. In herkömmlichen Blockheizkraftwerken ist das Verhältnis im günstigsten Fall umgedreht.

Brennstoffzellen im Feldversuch – der Callux Praxistest

Im September 2008 startete der Callux Praxistest zur Erprobung von Brennstoffzellenheizgeräten in Haushalten. Die Anlagen sind in Ein- und Zweifamilienhäusern installiert und übernehmen dort die Energieerzeugung. Callux ist durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördert und wird von Energieversorgern und Herstellern als Projektteilnehmern genutzt. Getestet wird in den Haushalten jeweils die neueste Generation der Geräte. Die Auswertung des Tests, der noch bis zum Jahr 2016 läuft, erfolgt über die sogenannte Stromrestwertmethode. Folgende Ergebnisse haben sich bisher herausgestellt, dass sich gegenüber der Gas-Niedertemperaturtechnik ein Einsparpotenzial für CO2 von mehr als 30 % ergibt.

Aus Erdgas wird Wasserstoff

Erdgas eignet sich besonders gut für die Herstellung von Wasserstoff, da es leicht reformierbar ist. Zudem hat das entstehende Gas einen hohen Wasserstoffanteil. Damit das Erdgas in der Brennstoffzelle als Energieträger genutzt werden kann, muss es im sogenannten Reformer aufbereitet werden. Über katalytische und thermische Verfahren entsteht aus dem Brenngas wasserstoffreiches Gas. In der Praxis unterscheidet man drei verschiedene Verfahren:

  • Dampfreformierung
  • Partielle Oxidation
  • Autotherme Reformierung

Ein Reformer muss verschiedene Eigenschaften mitbringen, um eine effiziente Wasserstoffausbeute zu gewährleisten und zudem noch praxistauglich zu sein. Zusammenfassend gehören dazu folgende Punkte:

  • Hohe Wasserstoffausbeute
  • Geringer CO-Gehalt im reformierten Gas
  • Kompakte und leichte Bauweise
  • Geeignetes Katalysatormaterial
  • Geringe Druckverluste
  • Verwendung thermisch belastbarer Materialien

Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung

Brennstoffzellenheizgeräte sind bereits im Einsatz, aber noch nicht auf dem Markt freigegeben beziehungsweise läuft die Markteinführung gerade an. In groß angelegten Verbrauchertests mit mehr als 1000 installierten Anlagen werden die verschiedenen Geräte, die von Markenherstellern aus dem Heizungsanlagensegment entwickelt wurden, getestet. Die Resonanz ist gut, die Praxistauglichkeit erweist sich zunehmend. Ebenso wie andere Anlagentypen auch arbeiten Brennstoffzellenheizungen zuverlässig und liefern neben der Wärme für die Heizungsanlage zusätzlich Strom. Im häuslichen Bereich können Brennstoffzellenheizung in zwei Varianten genutzt werden:

  • Vollheizsysteme decken den gesamten Wärmebedarf im Gebäude
  • Beistellgeräte ergänzen die Bereitstellung der Heizenergie zusätzlich zu einem Gas-Brennwertgerät oder anderen Anlagentypen.

Unterschiede gibt es auch in technologischer Hinsicht beziehungsweise in der bereits angesprochenen Stapelbauweise und im Material. Verwendet werden aktuell entweder Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEMFC) oder SolidOxide-Brennstoffzellen (SOFC). Der Name der Typen geht auf den Elektrolytyp zurück:

  • PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) oder PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) bezeichnen Brennstoffzellen, die im Temperaturbereich zwischen 60 und 70 Grad Celsius arbeiten. Wird dieser Brennstoffzellentyp mit Erdgas betrieben, muss der Wasserstoff in einem externen Reformer erzeugt werden.
  • Beim Typ SOFC (Solid Oxyd Fuel Cell) besteht der Elektrolyt aus fester Keramik. Der Temperaturbereich liegt bei 800 bis 1.000 Grad, eine Vorheizung vor der Nutzung ist erforderlich. Lange Laufzeiten ohne Unterbrechungen sind die idealen Einsatzgebiete, eine Reformierung des Erdgases ist bei den SOFC Brennstoffzellen nicht erforderlich, die Umsetzung des Erdgases in Wasserstoff findet direkt in den Zellen statt.

Damit eine Brennstoffzellenheizung im Haushalt installiert werden kann, ist ein Erdgasanschluss erforderlich. Nur so kann der für den Betrieb nötige Wasserstoff hergestellt werden. Aufgestellt wird die Brennstoffzellenheizung mit ihren moderaten Abmessungen zum Beispiel im Keller dort, wo die vorher installierte Anlage stand. Beistellgeräte benötigen noch weniger Platz und können mit der vorhandenen Anlage kombiniert werden.

Mobiler Einsatz von Brennstoffzellen

Neben dem Einsatz zur Strom- und Wärmeerzeugung in Haushalten ist die Verwendung von Brennstoffzellen auch für den mobilen Einsatz geeignet. In der Vergangenheit scheiterten viele Anwendungen an der Größe und am Gewicht der Technologie, zunehmend werden hier kleinere und kompaktere Geräte entwickelt. Brennstoffzellenfahrzeuge sind bereits seit mehr als 20 Jahren wichtiger Bestandteil in der Automobilforschung, in Luft-, Raum- und Schifffahrt kommt die Technologie ebenfalls zum Einsatz. In der Schweiz werden seit Frühjahr 2014 Brennstoffzellen in den Minibars der SBB (Schweizer Bundesbahn) eingesetzt. Die Energiezellen versorgen die Espressomaschinen mit Strom. Interessant sind Brennstoffzellen auch in der Mobiltelefonie. Tragbare Brennstoffzellen können in der Zukunft als mobile Ladegeräte für die energiehungrigen Smartphones dienen.