Wasserstoff und Brennstoffzellen

Als effiziente, vielseitig nutzbare und geräuscharme Systeme nehmen Brennstoffzellen eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Energieversorgung ein. Sie erzeugen elektrischen Strom, indem sie die chemische Energie des Brennstoffs unmittelbar (d.h. ohne einen thermischen Zwischenschritt wie in heutigen Großkraftwerken) in elektrische Energie umwandeln.

Je nach Typ werden die Brennstoffzellen mit Wasserstoff oder Methan (aus Erdgas, Biogas oder Klärgas), mit Gemischen dieser Gase oder mit dem flüssigem Methanol betrieben. Dabei treffen diese Brennstoffe nicht direkt auf ihrem Reaktionspartner (Luft-) Sauerstoff, sondern werden durch einen geeigneten Elektrolyten getrennt (siehe Abbildung rechts). Der Elektrolyt ist nur für bestimmte Ionen durchlässig. Die Reaktion kommt erst in Gang, wenn über eine externe Verbindung Elektronen ausgetauscht werden. Dieser elektrische Strom ist das gewünschte Ergebnis des Brennstoffzellenprozesses.

Mit Wasserstoff als Brennstoff entstehen keinerlei schädliche Emissionen, sondern nur Wasserdampf als „Abgas“. Der Vorgang in der Brennstoffzelle entspricht dabei der Umkehrung der Elektrolyse. Unter Gewinnung von elektrischer Energie und Wärme reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf.

Wasserstoff + Sauerstoff → elektr.Energie + Wasser + Wärme

Bei diesem Prozess werden je nach Brennstoffzellen-Typ vergleichsweise hohe elektrische Wirkungsgrade von 30% bis 55% erreicht. Der Einsatz von Brennstoffzellen erstreckt sich über einen weiten Leistungsbereich.

• In tragbaren Geräten wie Notebooks, Handys und Kameras können sie herkömmliche Batterien ersetzen.
• Im Bereich der mobilen Anwendungen gelten Brennstoffzellen wegen ihrer hohen Effizienz, besonders im Teillast-Bereich, als Fahrzeugantrieb der Zukunft. Nahezu alle Automobilhersteller treiben ihren Einsatz voran. Mit einer Massenfertigung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen ist im kommenden Jahrzehnt zu rechnen.
• Das Spektrum des stationären Einsatzes beginnt bei der effizienten Versorgung von Einfamilienhäusern mit Strom und Wärme (Brennstoffzellen-BHKW nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung, auf der Basis der Brennstoffzellen-Technologie erzeugen effizient Strom und Wärme. Viele solcher Kleinanlagen sollen in Zukunft zu „virtuellen Kraftwerken“ verbunden werden.
  Im hohen Leistungsbereich (industrielle Anwendungen und „echte“ Kraftwerke) finden Brennstoffzellen unter anderem Interesse zur besseren Integration erneuerbarer Energiequellen in das elektrische Netz. Dabei sollen in Zukunft Brennstoffzellen­systeme als Element von Rückverstromungsanlagen in Verbindung mit Elektrolyseuren und Wasserstoffspeichern eingesetzt werden.

Heute werden im Wesentlichen vier Brennstoffzellen-Typen weiterentwickelt, die je nach Applikation, Brennstoffart und Brennstoffreinheit verwendet werden. Die Bezeichnung der einzelnen Typen richtet sich, außer bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, nach dem verwendeten Elektrolyten.

Niedertemperatur-Brennstoffzellen arbeiten bei Temperaturen zwischen 60°C und 120°C. Als Brennstoffe werden Wasserstoff oder Methanol eingesetzt. Sie stellen hohe Anforderungen an die Reinheit des Brenngases und weisen elektrische Wirkungsgrade zwischen 30% (Methanol) und 45% (Wasserstoff) auf. Als Materialien für die Membranen, die die Reaktionsgase voneinander trennen, kommen Kunststoffe zum Einsatz; daher die Bezeichnung Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC, FC = fuel cell, oder PEM-BZ)

Während die PEFC mit gasförmigen Brennstoffen betrieben werden, nutzt die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)  eine wässrige Methanol-Lösung.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen arbeiten im Gegensatz dazu bei Betriebstemperaturen von 550° bis 1100°C. Dies bietet den Vorteil, dass die Anforderungen an die Qualität des Brenngases wesentlich niedriger sind und gleichzeitig Methan und Kohlenmonoxid  als Brennstoff direkt genutzt werden können. Die elektrischen Wirkungsgrade sind höher (50 – 55%) und in Verbindung mit einer nachgeschalteten Gasturbine  kann aufgrund der Abgastemperatur ein Gesamtnutzungsgrad des Brenngases zur Stromerzeugung von über 65% erreicht werden. Dies ist der absolut Bestwert bei der effizienten Stromerzeugung.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind aus keramischem Material gefertigt mit entweder keramischen oder metallischen Verbindungsplatten. Unterschieden werden Festoxid- Brennstoffzellen (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) und Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell).

mehr:
Netzanbindung erneuerbarer Energiesysteme:
Probleme und Lösungen