Brennstoffzelle: Funktion, Anwendung und Potenziale
Energie gewinnen ohne Emissionen zu erzeugen, einfach nur durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff: das kann die Brennstoffzelle. Mehr Informationen zum Wirkungsgrad der Technologie lesen Sie im Folgenden.
Das Wichtigste in Kürze
Die Brennstoffzellentechnologie basiert auf der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.
Für Hausbesitzer sind Brennstoffzellen als Heizung und zur Produktion von Strom interessant.
Die hohen Anschaffungskosten machen die Brennstoffzellentechnologie momentan noch nicht zu einer massentauglichen Heizungsanlage.
Was ist eine Brennstoffzelle?
Die Grundidee hinter einer Brennstoffzelle klingt vergleichsweise einfach: Wasserstoff plus Sauerstoff ergibt Wasser, Strom und Wärme. Deswegen wird für diese Technik auch der Name Wasserstoff-Brennstoffzelle benutzt. Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zusammen wird in der Fachsprache kalte Verbrennung genannt und gilt als höchsteffizient – sie hat sogar einen höheren Wirkungsgrad als konventionelle Kraftwerke. Dabei dient der Wasserstoff als Brennstoff und der Sauerstoff als Oxidationsmittel.
Momentan gibt es sechs unterschiedliche Brennstoffzellentypen, die unterteilt sind in drei Hauptkategorien, nämlich die Niedertemperaturbrennstoffzellen, die Mitteltemperaturbrennstoffzellen und die Hochtemperaturbrennstoffzellen.
Die Brennstoffzellentypen sind wie folgt aufgeteilt:
Niedertemperaturbrennstoffzellen: Alkalische Brennstoffzelle, Membran-Brennstoffzelle und Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen: Phosphorsäure-Brennstoffzelle, Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle und oxidkeramische Brennstoffzelle
Aufbau einer Brennstoffzelle
Der Aufbau einer Brennstoffzelle ähnelt dem Aufbau einer Batterie: Es gibt zwei Elektroden, nämlich die Anode, also den Pluspol, und die Kathode, den Minuspol. Ihre Trägerplatte ist eine sogenannte Bipolarplatte. Die beiden Elektroden sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt, der für die Ionen, die sich zwischen Anode und Kathode bewegen, durchlässig ist. Der Elektrolyt kann generell aus unterschiedlichen Materialien bestehen, gelatineartig oder auch fest sein.
Für eine Proton-Exchange-Membrane-Fuel-Cell-Brennstoffzelle, kurz PEMFC-Brennstoffzelle, besteht der Elektrolyt aus einem dünnen, festen Kunststoff. Diese hauchdünne Schicht wird Polymer-Membran genannt. Handelt es sich hingegen um eine Solid-Oxide-Fuel-Cell-Brennstoffzelle, kurz SOFC-Brennstoffzelle, dann besteht der Elektrolyt aus einem Hightech-Keramik-Zirkondioxid. Dieser Unterschied, also die verschiedenen Materialien, aus denen der Elektrolyt besteht, kennzeichnen den Unterschied zwischen einer PEMFC- und einer SOFC-Brennstoffzelle.
In allen Brennstoffzellen sitzt außerdem ein Katalysator. Dabei handelt es sich um eine edelmetallbeschichtete Katalysatorfläche, wenn im Nieder- bis Mitteltemperaturbereiche gearbeitet wird und um einen Katalysator aus Stahl, Keramik und Nickel, wenn im Hochtemperaturbereich gearbeitet wird.
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Eine Brennstoffzelle ist entweder in Schichten, also planar, oder als Röhrensystem, also tubular, aufgebaut und besteht aus mehreren Zellen, die zu einem Stapel, auch Stack genannt, angeordnet sind.
Funktionsweise einer Brennstoffzelle
Die Energie der Brennstoffzelle entsteht durch die chemische Reaktion, die zwischen Anode und Kathode auf der Bipolarplatte passiert. Wasserstoff reagiert in der Brennstoffzelle mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, Strom und Wärme.
Im Detail funktioniert die kalte Verbrennung wie folgt:
Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden in den Platten über die edelmetallbeschichtete Katalysatorfläche geführt, wenn es sich um Nieder- bis Mitteltemperaturbereiche handelt. Handelt es sich um den Hochtemperaturbereich wird er über den Katalysator aus Stahl, Keramik oder Nickel geführt. Dadurch wird der Wasserstoff anodenseitig gespalten, der Sauerstoff an der Kathode zusammengeführt. Auseinandergehalten werden die beiden Stoffe von dem Elektrolyten.
Die Wasserstoffmoleküle werden in Wasserstoff-Ionen (Protonen) aufgespalten, die sich an der Anode sammeln und zur Kathode wandern. Die freigesetzten Elektronen hingegen wandern durch den externen Stromkreis und erzeugen dabei Strom. Sie kommen an die Kathode, reagieren dort mit den bereits vorhandenen Protonen und dem Sauerstoff. Die Elektronen werden zu ihrem elektrischen Verbraucher geleitet. Jetzt wandern die Wasserstoffprotonen durch den Elektrolyten auf die Seite der Kathode und verbinden sich dort mit dem Sauerstoff zu Wasser.
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Wenn der Brennstoffzelle ein Brennstoffspeicher sowie eine Wasserstoff-Rezyklierung, in der der Wasserdampf aufgefangen wird, hinzugefügt werden, dann entsteht eine schadstofffreie Energieerzeugung.
Wo kommt die Brennstoffzellentechnologie zur Anwendung?
Brennstoffzellentechnik kommt heute auf vielen unterschiedlichen Gebieten zum Einsatz. Dazu gehören sogenannte netzferne Anwendungen, bei denen die Brennstoffzellen als Alternative zu Verbrennungsmotoren betrieben werden. Brennstoffzellen stecken folglich im Antrieb von Fahrzeugen aller Art, Zügen, U-Booten, Flugzeugen und werden auch in der Raumfahrt eingesetzt.
Aber auch die Energieversorgung, also Wärme- und Stromversorgung, rund um das Haus zählen zu den möglichen Einsatzgebieten der Brennstoffzelle. Zum Beispiel als stationäre Brennstoffzellen-Kraftwerke, um dezentral Strom erzeugen zu können. Oder aber als Notstromversorgung in abgelegenen Gebieten beziehungsweise als mobile Ladegeräte für elektronische Geräte, wenn klassische, konventionelle Stromquellen begrenzt oder außer Betrieb sind und kein Dieselgenerator zum Einsatz kommen soll.
Brennstoffzellen können aber auch als Grundlage für eine Brennstoffzellen-Heizung herangezogen werden. Dabei handelt es sich um ein Heizsystem, dem die Kraft-Wärme-Kopplung zu Grunde liegt. Das bedeutet, dass die Heizung dank der Brennstoffzellentechnik als Energiequelle sowohl Strom als auch Wärme für die Hausbewohner herstellt. Häufig wird der dafür benötigte Wasserstoff aus Erdgas gewonnen und direkt in der Brennstoffzelle umgewandelt.
Vorteile und Herausforderungen von Brennstoffzellen
Die folgende Tabelle fasst alle positiven und negativen Punkte rund um die Brennstoffzellentechnik zusammen:
Vorteile | Nachteile |
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Forschung und Entwicklung
Brennstoffzellen sind ein Teil der innovativen Ideen und Technologien, um klimaneutral zu handeln, das betont die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW-GmbH). Die Experten sehen mit Spannung in die Wasserstoff-Brennzellen-Zukunft und präsentieren viele Perspektiven rund um die Brennstoffzellentechnologie: die sichere Stromversorgung von Inselbewohnern, der Ausbau von Netzanschlüssen für Fahrzeuge aller Art und natürlich den „Aktionsplan Wasserstoff 2021-2025“, der die Umsetzung und Weiterentwicklung der Wasserstoffstrategie vorantreiben soll.
Konkrete Forschungsfelder für die Zukunft, die die Konsumenten betreffen sind die Speicherung und der Transport von hoch entzündlichem Wasserstoff. Haushalte sollen dauerhaft über ein flächendeckend ausgebautes Wasserstoffnetz mit Brennstoffzellentechnologie für Wärme- und Stromerzeugung versorgt werden.
Wirtschaftlichkeit
Laut der Initiative Brennstoffzelle (IBZ) ist ein jährlicher Gesamtwärmebedarf von 10.000 Kilowattstunden ideal für die Nutzung einer Heizung auf Basis von Brennstoffzellen. Was hingegen den Stromverbrauch angeht, lohnt es sich finanziell für einen Ein- oder Zwei-Personen-Haushalt mit niedrigem Stromverbrauch nicht, in die Brennstoffzellentechnologie zu investieren, betonen die Experten. Dafür gäbe es andere, preiswertere und dennoch emissionsfreie Technologien, die als Energiequelle dienen können. Außer Sie installieren auch gleich ein Speichermedium beziehungsweise können den Strom in das öffentliche Netz einspeisen und erhalten eine Vergütung dafür.
Kosten einer Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzellen-Heizung gibt es laut Angaben der Hersteller ab rund 23.000 Euro. Hinzu kommen weitere Kosten, sodass für das Komplettpaket etwa 30.000 bis 35.000 Euro gerechnet werden müssen. Für eine Heizungsanlage mit Brennstoffzellen gibt es momentan (Stand Juni 2024) keine Fördergelder von der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW).
Dem gegenüber stehen, bei 5.000 bis 6.000 jährlichen Betriebsstunden pro Jahr, 5.000 bis 6.000 Kilowattstunden produzierte Wärme und 3.750 bis 4.500 Kilowattstunden produzierter Strom. Der Gasverbrauch zur Gewinnung des Wasserstoffs beläuft sich auf etwa 10.000 bis 12.000 Kilowattstunden.
