• Filmbeitrag des SWR

Eine Brennstoffzelle liefert Strom und Wärme mittels eines elektrochemischen Prozesses.

Sie wandelt bei einem Wirkungsgrad von 90% und mehr (bestimmte Typen) einen Primärenergieträger wie Erdgas, Biogas oder Wasserstoff in Strom und Wärme.

Diese hohe Effizienz macht die Brennstoffzelle zu dem leistungsfähigsten Energiewandlungs-System das zur Zeit verfügbar ist.

Eine Brennstoffzelle kann in stationären aber auch in mobilen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Eine Brennstoffzelle kann in annährend allen Leistungsklassen gebaut werden. Vom Blockheizkraftwerk im Megawattbereich bis hin zu Zuckerwürfelgröße in MP3-Playern.

Beim Betrieb mit Wasserstoff emmitiert eine Brennstoffzelle nur H₂O, also Wasser. Dies entspricht einer Null-Emmission.
Die Umwelt wird auf das Äußerste geschont.

Im Vergleich zu herkömmlichen Geräten wird, wenn Erdgas zum Einsatz kommt, ein deutlich geringerer Anteil an CO₂ im Vergleich zu herkömmlichen Geräten emmitiert.

Brennstoffzellen emmitieren keinen Feinstaub!

Brennstoffzellen eignen sich für Innenraumanwendungen, da sie extrem leise sind. Stromaggegate auf Brennstoffzellbasis können problemlos in Wohnbereichen genutzt werden. Die Wohnmobil- und Campingbranche setzt dies bereits um.

Ein weiterer bereits kommerziell erfolgreicher Einsatzbereich stellt das Gebiet der USV-Anlagen (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) dar. Firmen wie Smart Fuel Cell oder P 21 bieten Anlagen für die Telekomunikationsindustrie an. Hier liegt der Vorteil gegenüber Batterien im geringen Gewicht, weniger Wartung, der hohen Standzeit und der fehlenen Ladezeiten.

Der besondere Charme von Brennstoffzellen liegt in der Möglichkeit dezentrale Energieversorgungslösungen zu kreieren. Die Rede ist in diesem Zusammenhang vom virtuellen Kraftwerk. Eine bestehende Gasleitungsinfrastruktur lässt sich so problemlos durch Brennstoffzellen nutzen. Hausgeräte in Eigenheimen werden vernetzt und können so den Energiebedarf einer Stadt decken. Der Primärenergieträger Erdgas wird so zu einem höheren Wirkungsgrad genutzt, also der Verbrauch gesenkt.

Besonders regenerative Energie kann mittels Brennstoffzelle besser genutzt werden. Photovoltaisch produzierter Strom kann mittels Elektrolyse in Wasserstoff gespeichert werden und so bei Bedarf wieder in einer Brennstoffzelle in Strom umgewandelt werden. Das gleiche gilt für Offshore-Windkraftanlagen. Geothermische Produktion von Wasserstoff wird auf Island erprobt, ähnliches könnte in Deutschland z.B. in der Eifel passieren.
Wasserstoff ist ein transportabler, vertankbarer Energieträger.

Zukünftig könnten photobiologische Produktionstechniken von Wasserstoff mittels Zyanobakterien oder Algen einen Beitrag leisten.

Der Bereich der Biomasse stellt eines der größten Potentiale dar. Ethanol, Methan oder Methanol aus Biomassekraftwerken kann in Direktmethanol-Brennstoffzellen vertankt werden. Daimler-Chrysler stellte bereits im Jahr 1997 das NECAR 3 vor. Hier wurde der Wasserstoff aus Methanol an Bord des Fahrzeugs gewonnen.
MTU baut im stationären Sektor das "hot-module" mit einer Leistung von 250 KW und einem Wirkungsgrad von über 90%. Das "hot-module" lässt sich auch mit Biogas betreiben und stellt eine effiziente Alternative zur Gasturbine dar.

Biomasseanlagen an der städtischen Peripherie mit entsprechender vertraglicher Bindung der umgebeden Landwirtwschaft unter Einbeziehung von "Grünschnitt" aus Stadtwald und Grünflächen. Sowie gezielter Anbau spezieller Energiepflanzen auf für Nahrungsmittelpflanzen ungeeigneten Anbauflächen ist ein Baustein zu einer CO₂-freien städtischen Energieversorgung.

Die Einspeisung des Biogases in das bestehende Erdgasnetz schließt die Versorgungskette.

Das heißt, Brennstoffzellen schonen fossile Energieträger, befördern regenerative Energietechnik als strukturelles Element und können langfristig gesehen die Abhängigkeit von Öl, Gas und Uran minimieren und damit langfristig Kosten senken.

Brennstoffzelltypen

1. Direktmethanolbrennstoffzelle:

Sie stellt eine Sonderform der PEM-Zelle dar. Bei der DMFC wird Methanol als flüssiger Energieträger in Strom gewandelt.

2. Die Polymermembran-Brennstoffzelle:

Die PEM-Zelle (Proton-Exchange-Fuel-Cell) ist durch ihren relativ niedrigen Arbeits-Temperaturbereich ( 70-110 °C) charakterisiert. Dadurch eignet sie sich für Lastwechselanwendungen wie das Automobil. Aber auch Notebooks oder USV-Anlagen sind sinnvolle Anwendungsbereiche. Eine erste Markteinführung ist in naher Zukunft bei den stationären Hausanwendungen zu erwarten. Marktteilnehmer wie BAXI-INNOTECH, Vaillant oder Buderus arbeiten daran.
Historisch betrachtet war dieser Zelltyp im Prinzip eines der ersten kommerziellen Systeme, da er die Bordstromversorgung des Geminiprogramms gewährleistete.

3. Die Alkalische Brennstoffzelle:

Charakteristikum ist der niedrigste Temperaturbereich bei der Brennstoffzellen arbeiten (60 -90°C). Ihren Einsatz hat sie in erster Linie in der Raumfahrt (Apollo-Programm {PDF Seite 4}) und in U-Booten (Experimentell). Sie benötigt Wasserstoff und Sauerstoff in hochgereinigter Form was den Einsatz in konventionellen Systemen uninteressant erscheinen lässt. Die Reinigung der Brenngase ist teuer und mindert den Gesamtsystemwirkungsgrad. Der Zelltyp leidet an geringer Lebensdauer und kontinuierlichem Leistungsabfall.

4. Die Phosphorsaure Brennstoffzelle:

Als Zelltyp des mittleren Arbeits-Temperaturspektrums (135-200°C) kommt sie im stationären Bereich als Block-Heizkraftwerk zum Einsatz. Nachteil sind die aggressiven Elektrolyte die an die Bauteile hohe Anforderungen stellen.
Animation: Funktionsprinzip einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle von Nissan.

5. Die Schmelzkarbonat Brennstoffzelle:

Sie ist derzeit im stationären Sektor der bewährteste Brennstoffzelltyp. Der Arbeitsbereich von 600-700°C lässt vergleichsweise günstige Baumaterialien zu. Die Zelle ist relativ unempfindlich gegenüber Zellgiften. Der Zelltyp erreicht bei Wärme-Kraft-Koppelung einen Wirkungsgrad von > 90%. Das Leistungsspektrum liegt zur Zeit zwischen 250-1000 KW. Die Firma MTU hat mit Ihrem "hot module" den Sprung in die Kommerzialisierung geschafft.

6. Die Oxidkeramik Brennstoffzelle:

Dieser Typ arbeitet bei ca. 800-1000°C und reformiert Methan direkt an der Membran (interner Reformierungsprozess). Dadurch spart man die Wasserstoffgewinnung aus Methan (Erdgas, Biogas) durch einen Reformer und erhöht den System-Gesamtwirkungsgrad. Der Zelltyp wurde von Sulzer-Hexis für die stationäre Anwendung in Häusern weiterentwickelt. Dieser Prozess dauert an.