Letzte Aktualisierung: 13.10.2021

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Ratgeber Brennstoffzelle: Kraft-Wärme-Kopplung und Verkehr

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie eines Brennstoffs direkt in Elektrizität um. Diese Umwandlung ist sehr effizient, da keine thermomechanischen Zwischenschritte wie bei konventioneller Energieerzeugung erforderlich sind. Anders als bei Wärmekraftmaschinen unterliegen Brennstoffzellen nicht der Limitierung des Carnot-Wirkungsgrades. Ähnlich wie Batterien erzeugen Brennstoffzellen Gleichstrom bei niedriger Spannung. Im Gegensatz zu Batterien müssen bei einer Brennstoffzelle die Reaktanten (Erdgas und Sauerstoff) jedoch kontinuierlich zugeführt werden.

Im Betrieb wird der Anode Wasserstoff zugeführt und dort oxidiert. Die dort entstehenden Protonen (H+ -Ionen) gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran zur Kathode und dort in Kontakt mit dem Oxidationsmittel (Sauerstoff der Umgebungsluft). Über einen externen Stromkreis (Verbraucher) fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode. Dort nimmt der Sauerstoff aus der Umgebungsluft diese Elektronen auf und reagiert mit den Protonen zu Wasser.

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Brennstoffzellen zur stationären Wärme- und Stromerzeugung

Bei der Umwandlung von chemischer Energie (z. B. Erdgas) in elektrische Energie entsteht immer auch Wärme. Durch die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom wird der eingesetzte Brennstoff effizient genutzt. Für den kleinen Leistungsbereich, der typisch für Wohngebäude ist, gibt es derzeit am Markt verschiedene Brennstoffzellen-Technologien, die für den Endkunden verfügbar sind. Dabei lassen sich bereits heute auch Ein- und Zweifamilienhäuser mit geeigneten Brennnstoffzellen-Systemen ausrüsten. Eine Brennstoffzelle als Heizgerät besteht aus mehreren Komponenten, die zusammen das Gesamtsystem bilden.

Die wichtigsten Komponenten einer kleineren, stationären Brennstoffzelle sind:

  • Brennstoffzellenstapel (engl. Stack)
  • Interne Steuereinheit
  • Gasaufbereitung
  • Wechselrichter (Inverter)
  • Wärmeübertrager

Brennstoffzellen weisen viele Vorteile gegenüber konventionellen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen auf:

  • Aufgrund der direkten Umwandlung des Brennstoffs in elektrische und thermische Energie lassen sich sehr viel höhere Wirkungsgrade als bei konventionellen KWK-Anlagen erzielen.
  • Durch das gute Teillastverhalten lassen sich Brennstoffzellen gut modulieren und somit dem jeweiligen Energiebedarf des Hauses anpassen.
  • Aufgrund des geräuscharmen Betriebs entstehen im Gegensatz zu konventionellen KWK-Anlagen kaum Lärmemissionen.
  • Bei Verwendung von reinem Wasserstoff als Brennstoff lässt sich der Ausstoß klimawirksamer Gase auf null reduzieren.
  • Die einzelnen Brennstoffzellen, gebündelt im Brennstoffzellenstapel, benötigen keine Wartung, da sie auf dem elektrochemischen Funktionsprinzip basieren und somit keine beweglichen Teile aufweisen.

Vor der Umwandlung von Erdgas in Wasserstoff müssen die Schwefelverbindungen aus den Odorierungsmitteln - dies sind Stoffe, die Gasen oder Flüssigkeiten zur Erzielung eines spezifischen Geruchs aus Sicherheitsgründen beigemengt werden - entfernt werden. Dabei stellt sich die Adsorptionsentschwefelung mit Aktivkohle als ein verbreitetes Entschwefelungsverfahren dar. Dann wandelt ein Reformer in der Brennstoffzelle das eingesetzte Erdgas in ein wasserstoffreiches Prozessgas, da selten reiner Wasserstoff per Infrastruktur zur Verfügung steht. Es gibt verschiedene Reformierungsverfahren. Ein gängiges Verfahren ist die Dampfreformierung, da diese technisch ausgereift ist und vielen Herstellern am wirtschaftlichsten erscheint.

Um eine höhere Spannung zu erreichen, werden einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden. Dabei werden diese jeweils übereinander gestapelt und die zuvor beschriebene chemische Reaktion läuft in jeder einzelnen Zelle ab. Die Zusammenschaltung erfolgt überwiegend in Sandwich-Bauweise, d. h. die einzelnen Zellen werden aufeinander gestapelt und in Reihe geschaltet. Zwischen den einzelnen Zellen werden sogenannte bipolare Platten eingefügt, die sowohl die Zufuhr der Reaktanden (Luft und Wasserstoff) zu den Elektroden als auch die Stromableitung in der Stapelachse gewährleisten.

Brennstoffzellen-Typen im Überblick

Im Wesentlichen ist die Art des Elektrolyten für die Benennung der Brennstoffzelle ausschlaggebend. Des Weiteren werden Brennstoffzellen in zwei Gruppen nach ihrem Temperaturniveau klassifiziert, zum einen in die Niedertemperaturbrennstoffzellen und zum anderen in die Hochtemperaturbrennstoffzellen.

Bei den zwei für die Hausenergieversorgung gängigsten Typen handelt es sich um die PEMFC (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell) und die SOFC (engl. Solid Oxide Fuel Cell) Brennstoffzellen. Darüber hinaus gibt es noch eine Vielzahl anderer Brennstoffzellentypen wie z. B. die AFC (alkalische Brennstoffzelle) und die PAFC (Phosphorsäure Brennstoffzelle). Diese sind für einen stationären Einsatz unter 10 kW elektrisch nicht geeignet.

Für die stationäre Brennstoffzellentechnik bis 10 kW elektrisch sind die PEMFC und SOFC am weitesten entwickelt. Die untenstehende Tabelle zeigt die wesentlichen Unterschiede zwischen der PEMFC- und der SOFC-Technologie. Diese Unterschiede sind gekennzeichnet vor allem durch die Ausbildung des Elektrolyten und die Höhe der Betriebstemperatur.

Tabelle: Überblick über die technischen Charakteristika von Brennstoffzellen-Typen
Brennstoffzelle Betriebstemperatur Elektrolyt Brennstoff Oxidant Einsatzgebiet
Alkalische Brennstoffzelle (Alkaline Fuel Cell AFC) 80 °C Kalilauge Wasserstoff Sauerstoff Verkehr
Membran-Brennstoffzelle (Polymer Elektrolyt Membran Fuel Cell PEMFC) 80 °C Festpolymer Wasserstoff, Methanol Sauerstoff/ Luft Verkehr, BHKW
Phosphorsäure-Brennstoffzelle (Phosphoric Acid Fuell Cell PAFC) 200 °C Phosphorsäure Erdgas Luft BHKW
Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell MCFC) 650 °C Lithium- und Kaliumkarbonat Erdgas, Kohlegas Luft Kraftwerke, Heizkraftwerke
Oxidkeramik-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) 800 bis 1.000 °C Zirkondioxid Erdgas, Kohlegas Luft Kraftwerke, Heizkraftwerke

Reversible Brennstoffzellen, englische Bezeichnung „reversible Solid Oxide Cell“, kurz rSOC, verbinden praktisch zwei Geräte in einem. Der Zelltyp ist daher in besonderer Weise für den Bau von Anlagen geeignet, die Elektrizität in Form von Wasserstoff zwischenspeichern und diesen zu einem späteren Zeitpunkt wieder rückverstromen können.

Der Einsatz reversibler Brennstoffzellen könnte eine wichtige Rolle bei der Energiewende spielen: Sie wird benötigt, um Schwankungen erneuerbarer Energien auszugleichen und dem Auseinanderlaufen von Angebot und Nachfrage entgegenzuwirken. Zusätzlich bietet sich der Einsatz für abgelegene Stationen auf Inseln und Bergen an, um dort eine autarke Energieversorgung sicherzustellen.

Die außergewöhnliche Eigenschaft der Reversibilität dieser Brennstoffzellen weisen nur Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf.

Brennstoffzellen-Einsatz in PKW und LKW

Brennstoffzellenautos mit Wasserstoff gelten als saubere Alternative zu Pkw mit Verbrennungsmotoren. Die PEM-Brennstoffzelle wird über einen Wasserstofftank versorgt und erzeugt damit den Strom für den Antrieb während der Fahrt. Eine kleine Batterie fungiert als Puffer bzw. Zwischenspeicher und deckt Lastspitzen z.B. beim Beschleunigen ab.

Welchen Stellenwert in Zukunft Brennstoffzellen-PKW im Individualverkehr einnehmen werden erscheint heute (2020) noch unklar, denn es gibt nur wenige und teure Wasserstoff-Autos auf dem Markt, wenige Wasserstofftankstellen und auch die Klimafreundlichkeit ist nicht immer gegeben. Zudem ist der Wirkungsgrad deutlich geringer als bei reinen Elektroautos.

Mehr Potenzial wird der Brennstoffzelle hingegen in schweren Nutzfahrzeugen zugemessen. Denn konventionelle LKW-Antriebsstränge mit Dieselaggregaten sind bereits in hohem Maße optimiert und bieten hier wenig Ausbaupotenzial. Bestehende Lösungen zum batterieelektrischen Antrieb von Pkw lassen sich aber nicht direkt übertragen, da die benötigte Batterie zu schwer und die Ladezeiten zu lange wären.

Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug genügt zum Antrieb ein leichteres Brennstoffzellensystem, und der benötigte Wasserstoff lässt sich schnell nachtanken. Ein entscheidender Schritt in der Fertigung einer Brennstoffzelle besteht darin, die „Membrane Electrode Assembly“ (MEA) herzustellen und zu verarbeiten.

Die MEA ist ein Verbundbauteil, dessen Kernstück die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) ist. Die PEM ist nur wenige Mikrometer dünn und verändert sich stark, wenn sich die Luftfeuchtigkeit ändert. Dadurch können Beschädigungen, Risse oder Ablösungen entstehen, durch die das gesamte Verbundbauteil nicht mehr nutzbar ist.

Um dies zu vermeiden, muss die gesamte Produktionsfläche klimatisiert und geregelt werden. Ein solches System zu installieren, erfordert jedoch einen hohen Planungshorizont und verursacht hohe Kosten, sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb. Daher gibt es unterschiedlichste F&E-Bemühungen, das MEA-Verbundbauteil zB mittels eines Microenvironments zu klimatisieren. Hierbei wird die PEM an mehreren Stellen unter einer Art Käseglocke gesondert mit dem richtigen Klima an der richtigen Stelle verarbeitet.

Aktueller Stand des Brennstoffzellen-Marktes

Derzeit teilen sich Asien und Nordamerika noch 95 Prozent des Marktes, der weiterhin stark von regionaler und nationaler Politik beeinflusst ist. Die Nachfrage in Europa kommt noch zu einem Großteil aus Demonstrationsprojekten in unterschiedlichsten Anwendungen.

Bei Brennstoffzellen für Züge, Lastkraftwagen und Schiffe sticht Europa allerdings bereits heute global heraus. Die europäische Brennstoffzellenindustrie ist weltweit gut positioniert und deutlich stärker als es der aktuelle europäische Markt vermuten lässt. Während der globale Brennstoffzellenmarkt über viele Jahre von stationären Anwendungen geprägt war, entsteht derzeit ein Trend für Brennstoffzellen in Transportanwendungen.

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