Was ist eine Brennstoffzelle? – Energieeffizienz mit Umweltschutz

Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um ein Heizsystem, welches sowohl Strom als auch Wärme erzeugt und damit auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung beruht. In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, wobei übrigens Wasser als Nebenprodukt entsteht.

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. Die Brennstoffzelle arbeitet mit einem sehr hohen Wirkungsgrad, da sie Strom- und Wärmeproduktion optimal unter einen Hut bringt.


Brennstoffzellen im serienmäßigen Einsatz

Als Heizgerät ist die Brennstoffzelle erprobt und vielfach im zuverlässigen Betrieb. Allein in Japan sind bereits seit 2009 mehr als 123.000 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).


Technologie Brennstoffzelle

Was steckt hinter der Technologie einer Brennstoffzelle

Wasserstoff und Sauerstoff sind die Stoffe, um mit einer Brennstoffzelle Strom und Wärme zu erzeugen. Die Basis dieser sogenannten „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. Dieser Prozess verläuft im Prinzip wie die Elektrolyse, nur umgekehrt.

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. Eine Verbrennung im klassischen Sinne findet nicht statt. Die Brennstoffzelle ist daher sehr wartungsarm.

Ausführliche Informationen hierzu finden Sie auf der Seite

> Funktionsweise der Vitovalor


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 für die Brennstoffzelle 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. Anschließend folgt die kalte Verbrennung, bei der Strom und Wärme gleichzeitig entstehen.

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


Brennstoffzelle – Strom mit der eigenen Heizung erzeugen!

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Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor PT2

Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor PT2

Das Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor PT2 ist die ideale Energiezentrale für das moderne Einfamilienhaus. Das System vereint Wärme- und Stromerzeugung auf kleinstem Raum. Vitovalor PT2 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.

Staatliche Förderung für die Vitovalor PT2

Wie jedes Heizgerät verursacht auch die Brennstoffzelle Kosten in überschaubarer Höhe. Die Vitovalor PT2 erhält allerdings eine Förderung von bis zu 9.300,- Euro, die es jedem Anlagenbetreiber erleichtert, sich für diese neue Technologie zu entscheiden. Ausführliche Informationen dazu auf unserer Seite

> Förderung der Vitovalor PT2 / PA2


Systemdarstellung Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor PT2

Das Brennstoffzellen-Heizgerät deckt den kompletten Wärmebedarf und die Grundlast des Strombedarfs im Ein- oder Zweifamilienhaus. Die Vitovalor PT2 besteht aus zwei Einheiten: dem Brennstoffzellenmodul und dem Spitzenlastmodul mit integriertem Gas-Brennwertkessel, einem Heizwasser-Pufferspeicher und einem Warmwasserspeicher sowie Hydraulik, Sensorik und Regelung. Die kompakte Einheit ist optisch aufeinander abgestimmt und benötigt eine Aufstellfläche von nur 0,72 Quadratmetern.

[1] Grundgerät mit Brennstoffzellenmodul und Gas-Brennwertgerät
[2] Speichertower
[3] Kommunikationsschnittstelle
[4] Integrierter Nettostromzähler
[5] Router
[6] Stromnetz im Haus
[7] Internet
[8] ViCare App
[9] Öffentliches Stromnetz

Darstellung der Funktionsweise der Brennstoffzellenheizung Vitovalor PT2


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.


Betriebsweise der Brennstoffzelle am Morgen

Morgens

Die erste Bedarfsspitze für Strom und Wärme ist morgens: Für Licht, zur Zubereitung des Frühstücks und zum Duschen. Die Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Strom zum eigenen Verbrauch. Für zusätzlich benötigte Wärme schaltet sich automatisch der Spitzenlastkessel zu (links). Während des Vormittags läuft die Brennstoffzelle weiter und deckt die Grundlast ab – der Spitzenlastkessel schaltet sich aus.


Mittags

Über die Mittagsstunden wird ebenfalls mehr Energie benötigt: Etwa zum Kochen oder Waschen. Den Mehrbedarf an Wärme deckt wiederum der Spitzenlastkessel ab. Im Lauf des Nachmittags sinkt der Energieverbrauch wieder, die Brennstoffzelle läuft alleine weiter.

Betriebsweise der Brennstoffzelle am Mittag

Betriebsweise der Brennstoffzelle am Abend

Abends

In den Abendstunden wird häufig mehr Strom benötigt als die Brennstoffzelle erzeugt. Dann wird zusätzlich Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen. Sobald es am späten Abend im Haus ruhiger wird, sinkt auch der Energiebedarf deutlich. Der Überschussstrom der Brennstoffzelle wird ins Netz eingespeist und vergütet.


Nachts

Der Bedarf an Wärme und Strom ist gering. Die Brennstoffzelle läuft im Grundmodus. Das System deckt den Energiebedarf des Hauses komplett ab.

Betriebsweise der Brennstoffzelle in der Nacht

Beispielrechnung Neubau oder Komplettsanierung

● 2,31 Cent Stromentstehungskosten für den selbst erzeugten Strom

Einsparung: 25 ct/kWh

● Stromerzeugung im Einfamilienhaus von 4000 bis 4500 kWh/Jahr

Einsparung: 4200 kWh (max. 6200 kWh möglich)

● 60 % des selbst erzeugten Stroms sind nutzbar: 2520 kWh x 0,25 €/kWh = 630,– €

Einsparung: 630,– € (max. 1000 bis 1500,– € bei 100 % Eigenverbrauch möglich)

● Aus der Einspeisung erhält man: 1680 kWh x 0,05 €/kWh = 84,– €

Einsparung: 84,– €

Jährliche Energiekosteneinsparung: 714,– €

Einfache Rechnung, klare Vorteile. Die Investition in eine stromerzeugende Heizung ist eine lohnende Sache. Wir haben die durchschnittliche Kosteneinsparung für einen Vitovalor PT2 im Neubau oder nach einer Komplettsanierung für Sie errechnet.

Die Investition in eine stromerzeugende Heizung ist eine lohnende Sache

Fazit

Über einen Großteil des Tages reicht die Stromproduktion aus dem Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 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.


Basiswissen: Was ist Wasserstoff?

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 – der unterschätzte Brennstoff

Wasserstoff (H₂)

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 – 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
Wasserstoff-Tankstelle in Hamburg


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.


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