So funktionieren Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Das fossile Zeitalter läuft ab. Hochtemperatur-Brennstoffzellen stellen eine ganz neue Form der Energieversorgung dar - umweltschonend, emissionsarm und sehr effizient. Doch wie ausgereift ist das System? Werden wir in Zukunft unsere Fahrzeuge und Heizungen auf Basis von Brennstoffzellen betreiben? Erfahren Sie mehr über eine Technologie, der schon heute großes Zukunftspotential zugesprochen wird.

Fragezeichen auf einem Tisch - Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Hochtemperatur-Brennstoffzellen: Sauber und effizient

Ihr Name ist eigentlich etwas irreführend. Denn in einer Brennstoffzelle werden Substanzen nicht im herkömmlichen Sinn verbrannt, sondern mithilfe von Sauerstoff oxidiert. Dieser chemische Vorgang ähnelt einer kontrollierten Knallgasreaktion. Der große Vorteil gegenüber Verbrennungsmotoren besteht darin, dass keinerlei schädlichen Abgase wie etwa Stickoxide frei werden, das einzige - und völlig unbedenkliche - Nebenprodukt ist Wasserdampf. Das ist der Grund, warum Brennstoffzellen als "sauber" bezeichnet werden. Als effizient gelten Brennstoffzellen deshalb, weil sie elektrischen Strom direkt aus chemischer Energie erzeugen. Anders als in einer Wärmekraftmaschine muss chemische Energie nicht zuerst in Wärmeenergie (Dampferzeugung) und weiter in mechanische Energie (Turbine) umgewandelt werden, bevor in einem dritten Schritt elektrischer Strom hergestellt wird. Da bei jedem Umwandlungsschritt unweigerlich Energie verloren geht, ist diese Form der Stromerzeugung über "Umwege" nicht besonders effizient. Die direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie vermeidet derartige Verluste und bietet daher grundsätzlich einen höheren Wirkungsgrad.

Das Funktionsprinzip

Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen. Nach ihrer Betriebstemperatur unterscheidet man zwischen Niedertemperatur-Brennstoffzellen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen - letztere arbeiten bei Temperaturen von 550° bis 1.100 ° Celsius besonders effizient. Grundsätzlich besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden (Kathode und Anode), die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Dieser Elektrolyt leitet zwar Ionen, jedoch keinen elektrischen Strom. An der Anode wird der eingeleitete Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, zu Wasserstoff-Ionen (H+) und Elektronen (e-, elektrischer Strom) gespaltet. Der Strom fließt über einen äußeren Stromkreis ab, während die Wasserstoff-Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode wandern und dort zusammen mit Luftsauerstoff (O2) das "Abfallprodukt" Wasser (H2O) bilden. Als Elektrolyt lassen sich prinzipiell verschiedene metallische oder keramische Stoffe einsetzen. Bei der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) verwendet man Alkali-Karbonat-Schmelzen, bei der Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) kommen Oxidkeramik-Platten zum Einsatz. Diese beiden Typen sind zurzeit die am weitesten entwickelten Hochtemperatur-Brennstoffzellen.

Vor- und Nachteile von Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Die elektrochemische Oxidation bei hohen Temperaturen bietet den Vorteil, dass als Brennstoff nicht nur reiner Wasserstoff, sondern auch Methan-Gas (CH4) verwendet werden kann. Methan wird beispielsweise aus Erdgas oder durch Gärung aus Biomasse gewonnen, es ist somit keine Aufbereitung von Wasserstoff nötig. Der elektrische Wirkungsgrad ist bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit etwa 50-55 % höher als bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen, und er kann noch weiter gesteigert werden, indem man die Abwärme des entstehenden Wasserdampfes nutzt. Auf diese Weise wird ein beeindruckender Gesamtwirkungsgrad von über 65 % erzielt. Nachteilig ist, dass der Aufbau der Betriebstemperatur eine gewisse Vorlaufzeit benötigt. Hochtemperatur-Brennstoffzellen eignen sich daher weniger für mobile oder flexible Anwendungen (etwa als Notstrom-Aggregate). Als vielversprechend gelten Hochtemperatur-Brennstoffzellen aufgrund der kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung vor allem zur dezentralen Versorgung von Einzelhaushalten. Wenn sich mehrere solcher "Kleinkraftwerke" zu Netzwerken zusammenschließen, wäre eine autonome Versorgung ganzer Kommunen möglich.

Heizung.de Autor Philipp Hermann

Fazit von Philipp Hermann

Hochtemperatur-Brennstoffzellen ermöglichen eine emissionsarme und hoch effiziente Erzeugung von elektrischer Energie, die entstehende Abwärme bietet eine weitere Nutzungsoption. Die Technologie ist derzeit noch nicht völlig ausgereift, hat jedoch hohes Entwicklungspotential.

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