Brennstoffzelle – Energieeffizienz mit Umweltschutzprogramm

Strom, Wärme und Wasser als Produkt der Brennstoffzelle

In der Brennstoffzelle reagiert der Wasserstoff mit Sauerstoff. Dabei entstehen Strom, Wärme und Wasser. Die Elektrizität wird als Gleichstrom aus der Brennstoffzelle in den Inverter geleitet. Dort wird der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und somit für den Verbraucher nutzbar gemacht. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an einen Heizwasser-Pufferspeicher abgegeben und zur Erwärmung des Trinkwassers oder des Heizkreises genutzt.

Technologie Brennstoffzelle

Technologie Brennstoffzelle

Wasserstoff und Sauerstoff sind die Stoffe, um mit einer Brennstoffzelle Strom und Wärme zu erzeugen. Die Basis dieser so genannten „kalten Verbrennung“ ist die chemische Reaktion der beiden Elemente.

An der Anode wird Wasserstoff zugeführt, der von einem Katalysator in positive Ionen und negative Elektronen geteilt wird. Die Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zur Kathode – Strom fließt.

Gleichzeitig gelangen die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff reagieren und sich zu Wasser verbinden. Dabei wird Wärme freigesetzt, die genutzt werden kann.

Erdgas – idealer Partner für die Brennstoffzelle

Energielieferant der Brennstoffzelle ist Wasserstoff. Er ist in der Natur massenhaft vorhanden, jedoch nicht in reiner Form. Als emissionsärmster fossiler Brennstoff eignet sich Erdgas sehr gut, um reinen Wasserstoff zu gewinnen. Zunächst werden die Schwefelverbindungen abgeschieden. Dann wandelt ein vorgeschalteter Reformer das Erdgas mit Hilfe eines Katalysators in Wasserstoff und Kohlendioxid um. In einer nachgeschalteten Gasreinigung wird Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umgewandelt.

Ganz nach Bedarf kann sowohl E- wie LL-Gas eingesetzt werden.


Brennstoffzelle - Strom mit der eigenen Heizung erzeugen!

Brennstoffzelle - Strom mit der eigenen Heizung erzeugen!
Systemdarstellung Brennstoffzelle im Einfamilienhaus

Brennstoffzelle im Einfamilienhaus

[1] Brennstoffzellenmodul
[2] Spitzenlastkessel
[3] Abgas-/Zuluftsystem
[4] Integrierter Stromzähler
[5] Kommunikationsschnittstelle
[6] Stromzähler (Bidirektional)
[7] Stromnetz im Haus
[8] Öffentliches Stromnetz
[9] Internet
[10] Vitotrol App
[11] Erdgas E
[12] Wasser

Betriebsweise der Brennstoffzelle im Verlauf eines Tages

Über einen Großteil des Tages reicht die Stromproduktion aus dem Brennstoffzellen-Heizgerät aus, um den Bedarf zu decken. Lediglich in den Spitzenzeiten muss Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Dafür wird in den Nachtstunden überschüssiger Strom abgegeben und vergütet. So macht das Brennstoffzellen-Heizgerät seine Betreiber unabhängiger von steigenden Strompreisen.


Brennstoffzelle - Betriebsweise am Morgen

Morgen

Bedarf steigt: Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Strom, Spitzenlastkessel liefert zusätzliche Wärme

Brennstoffzelle - Betriebsweise am Morgen

Morgen

Bedarf sinkt: Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Strom, Spitzenlastkessel schaltet ab


Brennstoffzelle - Betriebsweise am Mittag

Mittag

Bedarf steigt: Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Strom, Spitzenlastkessel liefert zusätzliche Wärme

Brennstoffzelle - Betriebsweise am Mittag

Mittag

Bedarf sinkt: Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Strom, Spitzenlastkessel schaltet ab


Brennstoffzelle - Betriebsweise am Abend

Abend

Bedarf steigt: Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Strom, Spitzenlastkessel liefert zusätzliche Wärme, mehr Strom wird aus Netz bezogen

Brennstoffzelle - Betriebsweise am Abend

Abend

Bedarf sinkt: Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Strom, Spitzenlastkessel schaltet ab, Strom wird eingespeist


Brennstoffzelle - Betriebsweise in der Nacht

Nacht

Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Strom, Überschussstrom wird eingespeist

Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P

Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P

Das Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P ist die ideale Energiezentrale für das moderne Einfamilienhaus. Das System vereint Wärme- und Stromerzeugung auf kleinstem Raum.

Vitovalor 300-P hat im Vergleich zu bestehenden Lösungen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) einen deutlich höheren elektrischen Wirkungsgrad. Dadurch ist die Wärmeauskopplung geringer und das Brennstoffzellen-Heizgerät besonders zum Einsatz im Neubau und renovierten Gebäudebestand geeignet.

Vitovalor erhält bis zu 11.100,– Euro Förderung

Die von Viessmann erfolgreich in den Markt eingeführte Vitovalor 300-P erhält eine Förderung von bis zu 11.100,- Euro, die es jedem Anlagenbetreiber erleichtert, sich für diese neue Technologie zu entscheiden.

Basiswissen Wasserstoff

Energieerzeugung mit der PEM-Brennstoffzelle


Wasserstoff ...

●  ist ein Energieträger mit der höchsten gewichtsbezogenen Energiedichte
●  ist ein chemisches Element mit dem Symbol H
●  besteht aus einem Proton und einem Elektron
●  hat die Ordnungszahl 1 (sie beschreibt die Anzahl der Protonen im Atomkern eines chemischen Elements – daher auch Protonenzahl genannt)
●  ist das häufigste chemische Element im Universum
● erzeugt kein CO2, da H2 keinen Kohlenstoff enthält

Wasserstoff – der unterschätzte Brennstoff

Wasserstoff ist in unserem Alltag kaum bekannt. Vielmehr erfährt H2 viele Vorurteile, die meistens auf Unwissen oder falschen Informationen basieren. Häufig verbreitet ist das Argument, dass Wasserstoff nicht zuverlässig und dauerhaft gespeichert werden kann.

Unterschied zu anderen Brennstoffen

Dabei ist er Bestandteil von Wasser (H2O) und beinahe aller organischer Verbindungen. Als Brennstoff hat er aber gegenüber vielen anderen Energieträgern zahlreiche Vorteile.

Wasserstoff

●  entzündet sich nicht selbst
●  zerfällt (wie z. B. Acetylen) nicht
●  oxidiert nicht und ist damit kein Brandbeschleuniger
●  ist nicht giftig, ätzend oder radioaktiv
●  ist geruchlos
●  verunreinigt kein Wasser
●  schädigt weder Natur noch Umwelt
●  ist nicht krebserregend
●  verbrennt rückstandsfrei

Vergleich mit anderen Kraftstoffen

Im Gegensatz zu Benzin oder Flüssiggas ist Wasserstoff wie auch Methan leichter als Luft. Er hat von allen Brennstoffen mit 33,33 kWh/kg die höchste Energiedichte (bezogen auf die Masse; Methan: 13,9 kWh/kg, Benzin: 12 kWh/kg) und mit 3,0 kWh/Nm3 eine der geringsten Energiedichten (bezogen auf das Volumen; Methan: 9,97 kWh/Nm3, Benzin: 8800 kWh/m3).

Mit diesen Eigenschaften unterscheidet sich Wasserstoff deutlich von flüssigen Kohlenwasserstoffen und Erdgas oder Methan.

Wasserstoff-Tankstelle in Hamburg

Wasserstoff – sicher, sauber, zuverlässig

Als Kraftstoff im Straßenverkehr und als Speichermedium in der Energieversorgung wird Wasserstoff in den kommenden Jahren eine immer wichtigere Rolle spielen.

Bereits heute werden die Brennstoffzellen in Fahrzeugen vielfach mit Wasserstoff angetrieben. Etwa in Omnibussen im öffentlichen Nahverkehr. Hier hat es bisher keinerlei Zwischenfälle gegeben.

Außerdem wird elektrolytisch erzeugter Wasserstoff Erdgas beigesetzt und in das Erdgasnetz eingespeist - Power to Gas.

Wasserstoff ist sicher – von allein explodiert er nicht. Dafür müsste zusätzlich ein Oxidator (z. B. Luft oder reiner Sauerstoff) und eine Zündquelle vorliegen (Zündgrenze in Luft: 4 bis 75 Volumenprozent).

Diffusion von Wasserstoff

Bereits seit einem Jahrhundert wird Wasserstoff problemlos in Stahlflaschen gespeichert und transportiert. Zwar ist die Diffusionsrate bei modernen Verbundmaterialien für Wasserstofftanks etwas höher als bei Metallen – der Wert ist aber vernachlässigbar. Andernfalls würden diese Tanksysteme keine Zulassung erhalten.

Abbildung: Tankstelle in Hamburg – dort sind im öffentlichen Nahverkehr zahlreiche Busse mit Brennstoffzellenantrieb im Einsatz.

Foto: Hamburger Hochbahn

Brennstoffzellen im serienmäßigen Einsatz

Als Heizgerät ist die Brennstoffzelle erprobt und vielfach im zuverlässigen Betrieb. Allein in Japan sind bereits seit 2009 mehr als 123000 Geräte (Stand 01/2015) von verschiedenen Herstellern für stationäre Anwendungen verkauft worden.

Daneben liefern Brennstoffzellen Energie zum Antrieb von Fahrzeugen und Schiffen sowie zur Stromversorgung in der Luft- und Raumfahrt. Weitere Einsatzbereiche sind Mobiltelefone (Akkus), Verkehrsmanagement, Sicherheit und Überwachung, Windkraft und Telekommunikation. Ebenso sind Brennstoffzellen im Freizeitsektor zur Stromversorgung zu finden (z. B. in Reisemobilen, Segelbooten, Ferienhäusern und Berghütten).


Brennstoffzellentechnologien im Überblick

Membranbrennstoffzelle (PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Bei der PEM-Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer Kunststoffmembran, die nur Protonen durchlässt. Die PEM-Brennstoffzelle ist in ihrer Handhabung unkompliziert, da sie mit dem Luftsauerstoff auskommt. Es sind keine aufwändigen Filter- und Reinigungsprozesse nötig. Die PEM-Brennstoffzelle kann stationär und mobil eingesetzt werden. Aufgrund der niedrigen Systemtemperatur lässt sich diese Brennstoffzelle sehr flexibel betreiben sowie häufig an- und abschalten.

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC = Direct Methanol Fuel Cell)

Die DMFC-Zelle ist eine Weiterentwicklung der PEM. Statt mit Wasserstoff wird sie mit Methanol betrieben. Da Methanol ähnlich wie Benzin gelagert und transportiert werden kann, ist sie ebenfalls zum Einsatz in Fahrzeugen sowie bei tragbaren Stromversorgungen und als Batterieersatz geeignet.

Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC = Solid Oxid Fuel Cell)

Die Festoxid-Brennstoffzelle ist vollständig aus Feststoffen aufgebaut. Als Elektrolyt wird eine Keramik verwendet. Die SO-Brennstoffzelle kann ohne aufwendige Gasaufbereitung mit Erdgas betrieben werden. Charakteristisch für SOFC-Brennstoffzellen sind lange Aufwärmphasen sowie längere Laufzeiten, da sie aufgrund ihrer hohen Temperatur nur wenige Start-Stopp-Zyklen über die Lebensdauer vertragen. Daher ist die SOFC für Anwendungen geeignet, die einen annähernd dauerhaften Betrieb zulassen.

Alkalische Brennstoffzelle (AFC = Alkaline Fuel Cell)

Die AFC zählt zu den ältesten Typen bei Brennstoffzellen. Zur Reinigung der Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff muss ein extrem hoher Aufwand betrieben werden. Ursprünglich wurde sie überwiegend in der Raumfahrt eingesetzt – ihre Produktion wurde aber bereits zu Beginn der 1970er-Jahre weitgehend eingestellt.

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC = Phosphor Acid Fuel Cell)

Die PAFC ist eine für große Blockheizkraftwerke und Energieversorger entwickelte Brennstoffzelle. Das zum Betrieb benötigte Brenngas wird aus Erdgas gewonnen. Der Sauerstoff kommt direkt aus der Luft.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell)

Die Karbonat-Brennstoffzelle erzeugt Temperaturen von 650 °C und ermöglicht eine optimale Nutzung der Abwärme. Die MCFC-Zelle wird direkt mit Erdgas und Luftsauerstoff betrieben. Sie wird vorwiegend in den großen Kraftwerken der Energieversorger eingesetzt.