Brennstoffzelle: Energieerzeugung ohne Primärenergie
Bei einer Brennstoffzelle findet kein Verbrennungsvorgang stattfindet, d. h. es werden keine direkten Primärenergien wie Erdgas oder Öl verwendet.
Bei Brennstoffzellen wird keine Primärenergie benötigt
In einer solchen Zelle werden Strom und auch Wärme durch elektrochemische Vorgänge erzeugt. Technisch gesehen basiert eine BHKW Brennstoffzelle auf der Umkehrung der Elektrolyse. Es handelt sich um eine gebremste und daher nicht explosive Knallgasreaktion. Die wichtigsten Bestandteile einer Brennstoffzelle sind die Elektrolytmembran sowie Anode und Kathode.
In der Zelle wird wasserstoffhaltiges Gas an die poröse Anode geleitet und Sauerstoff an die ebenfalls poröse Kathode. Eine gasundurchlässige Membran trennt beide Gase und verhindert so eine unmittelbare Knallgasreaktion. Diese Membran, die z. B. aus einer Spezialfolie bestehen kann, ist nur für Ionen, nicht aber für Elektronen, durchlässig. Ferner prägt sie die wesentlichen Eigenschaften der Brennstoffzelle in einem Blockheizkraftwerk (erforderliche Betriebstemperatur und Vorgaben bezüglich des Reinheitsgrades der verwendeten Gase).
Durch chemische Reaktionen (entstehende Ionen und freie Elektronen) werden Wärme und Strom erzeugt, die für den Gebrauch abgeleitet und somit nutzbar gemacht werden. Grundsätzlich zu unterscheiden ist zwischen Niedertemperatur-Brennstoffzellen (70 – 90 Grad Temperaturniveau), die typischerweise in Gebäuden oder auch als Fahrzeugantrieb verwendet werden. Hochtemperaturbrennstoffzellen arbeiten in einem Bereich zwischen 600 und 1000 Grad Celsius. Solche Brennstoffzellen werden in leistungsstarken Kraftwärmekopplungssystemen für Nahwärmenetze eingesetzt.
Brennstoffzellen-Technik anschaulich erklärt
PEM und SOFC Brennstoffzelle als grundlegende Unterscheidung
Die PEM Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane) nutzt das oben geschilderte Energiegewinnungsprinzip mit Wasserstoff und Sauerstoff. Da es sich um eine exotherme Reaktion handelt, kann die entstehende Wärme gemäß Kraft-Wärme-Kopplung in einem BHKW genutzt werden, um Wasser zu erwärmen. Die negative Anode ist mit Platin beschichtet, wodurch Wasserstoffatome in ein Proton und ein Elektron aufgespalten werden. Die freigesetzten Elektronen werden über einen Stromkreis abgeführt und stellen Elektrizität bereit. Wärme wird erzeugt, indem die Protonen durch eine Membran bis zur Kathode diffundieren. Hier verbinden sie sich mit den Elektronen aus einem äußeren Stromkreis und dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasserstoff, wobei Wärme erzeugt wird.
So genannte SOFC Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell) stellen im Gegensatz zu den PEM Modellen Hochtemperaturbrennstoffzellen dar, deren Arbeitsbereich ab 600 Grad Celsius beginnt. Durch die hohen Temperaturen sind die materialtechnischen Anforderungen für Dichtungen höher als im Niedertemperaturbereich.
Hersteller, technischer Entwicklungsstand und spezifische Eigenschaften
Marktreife Blockheizkraftwerke, die über eine integrierte Brennstoffzelle verfügen, sind noch Mangelware. Derzeit läuft unter dem Projektnamen “Callux” ein groß angelegter Feldversuch zwecks Erprobung der Praxistauglichkeit solcher Anlagen. Der Feldtest sieht vor, ca. 800 Anlagen mit Brennstoffzellen zu installieren.
Insgesamt betrachtet arbeiten momentan etliche BHKW Hersteller an der Integration von Brennstoffzellen. Viele getestete Modelle sind kurz vor der Markeinführung, sodass sich das verfügbare Angebot in den nächsten Jahren nach und nach vergrößern sollte. Seit 2012 steht mit dem BlueGen von Ceramic Fuel Cells ein erstes Modell zum Kauf bereit.
Der renommierte Hersteller Vaillant arbeitet an technischen Innovationen: Anstelle der Membran sollen temperaturbeständige keramische Bauteile zum Einsatz kommen. Experten sind der Auffassung, dass nach Abschluss der Testphasen und der Einführung von Kleinstserien gegen Ende des Jahrzehnts eine attraktive und leistungsstarke Auswahl an BHKW Modellen mit integrierter Brennstoffzelle erhältlich sein wird. Ein wichtiger Indikator wird auch der Preis sein, der nicht über dem eines mittels Motor betriebenem BHKW liegen sollte. Dies ist aktuell aber noch nicht möglich.
Vor- und Nachteile einer BHKW Brennstoffzelle
Brennstoffzellen sind noch nicht marktfähig
Durch eine modulare Bauweise sind Brennstoffzellen Blockheizkraftwerke in verschiedenen Leistungsstufen denkbar, sodass sie sowohl im privaten als auch gewerblichen Bereich eingesetzt werden könnten. Denkbar ist es in Zukunft, effiziente Hausenergiezentralen für Einfamilienhäuser oder Mehrfamilienhäuser einzurichten, um eine dezentrale und kostengünstigere sowie klimaschonende Form der Energieversorgung zu ermöglichen.
Auch konstruktionsbedingt kann eine solche Anlage mit Vorteilen überzeugen: Da kaum bewegte Teile verbaut werden, ist der Betrieb wartungsarm (Fixkostenreduzierung) und sehr leise. Brennstoffzellen erreichen hohe Wirkungsgrade und können klimaschädliche Emissionen nachhaltig senken. Die noch laufenden Feldtests zeigen, dass sie auch sehr unanfällig für Störungen sind. Im Vergleich zu den bis dato verfügbaren Motor-Blockheizkraftwerken ermöglicht eine Brennstoffzelle eine gute Regelbarkeit der Leistung. Selbst im Teillastbereich sind hohe elektrische Wirkungsgrade bis 55 % erreichbar.
Als nachteilig anzusehen sind die geringen Betriebserfahrungen, da viele Hersteller noch keine marktreifen Geräte vorgelegt haben. Daher ergeben sich aktuell auch noch höhere Investitionskosten, die jedoch mit fortschreitendem Entwicklungsstand bzw. der größeren Verfügbarkeit an Modellen auf lange Sicht deutlich sinken werden.