Brennstoffzellen-BHKW

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Bennstoffzellen sind mit Akkumulatoren und Batterien verwandt. Während eine Brennstoffzelle durch Energieumwandlung kontinuierlich elektrischen Strom liefert, entladet sich die in Batterien oder Akkus gespeicherte elektrische Energie langsam. Außerdem liefert die Brennstoffzelle zusätzliche Energie in Form von Wärme. Dabei muss der Brennstoffzelle fortlaufend ein brennbares Gas, wie zum Beispiel Wasserstoff, und zusätzlich Sauerstoff zugeführt werden. Es findet eine Energieumwandlung von wasserstoffhaltigen Gasen auf elektrochemischen Wegen in Elektrische- und Wärme-Energie statt. Dieses Prinzip ist seit weit über 100 Jahren bekannt. In der Raumfahrtforschung wurde seit den fünfziger Jahren im zwanzigsten Jahrhundert das Prinzip der Brennstoffzelle weiterentwickelt und auch eingesetzt. Mittlerweise werden in Deutschland U-Boote gebaut die Brennstoffzellen zum Antrieb einsetzen.

Erdgas ist ein wasserstoffhaltiger Energieträger und steht durch ein großes Verteilnetz in Deutschland ausreichend zur Verfügung. Bedingt durch diese Infrastruktur wird ein Brennstoffzellen-BHKW nicht direkt mit Wasserstoff sondern mit Erdgas betrieben. Flüssiggas in Tanks ist auch geeignet. Ein Reformer entnimmt aus dem Methan des Erdgases den Wasserstoffanteil, indem das Erdgas mit überhitztem Wasserdampf vermischt wird. Dadurch entsteht Wasserstoff und Kohlenmonoxid. In einem Konverter entsteht durch eine chemische Reaktion aus Kohlenmonoxid und Wasserdampf, Wasserstoff und Kohlendioxid.

Der so entstehende Wasserstoff wird der eigentlichen Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt. Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Metallelektroden die durch eine Schicht den Elektrolyten von einander getrennt sind. Funktionsschema eines Brennstoffzellen-BHKWs für Erdgas Die Anode ist vom Wasserstoffgas umspült und bei 100°C spaltet er sich in Protonen H(+) Wasserstoff-Ionen und Elektronen (-) auf. An der einen Seite der Elektrode entsteht Elektronenüberschuss und an der anderen Elektrode Elektronenmangel. Es entsteht eine elektrische Gleichspannung und somit kann über eine Leitung elektrischer Strom fließen um Arbeit zu verrichten. Die Protonen durchdringen den Elektrolyten der zur Kathode wandert. Für Elektronen ist der Elektrolyt unpassierbar. Dieser Elektrolyt wirkt wie eine Membrane. An der Kathode reagieren Sauerstoffatome mit den Elektronen zu Sauerstoff-Ionen (O-). Diese verbinden sich mit den Wasserstoff-Protonen zu Wasserdampf H2O. Es entsteht bei diesem Vorgang Wärme die zur Heizung verwendet werden kann.

Diesen ganzen Vorgang bezeichnet man als kalte Verbrennung.

Sehr viele Brennstoffzellen werden in einem Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk in Reihe geschaltet. Dadurch wird eine elektrische Gleichspannung im Niederspannungsbereich und eine Wärmeleistung erreicht wie sie in Wohngebäuden benötigt werden. Die Gleichspannung muss mit einem Wechselrichter erst umgewandelt werden. Ein Brennstoffzellen-BHKW nutzt den Heizwert eines Brennstoffes wesentlich effektiver. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 85%. Eine Modulbauweise ist wie bei herkömmlichen BHKWs möglich. Das Brennstoffzellen-BHKW ist umweltfreundlich und sondert kaum Schadstoffe ab. Zusätzlich arbeitet eine Brennstoffzellen-BHKW ohne bewegliche Teile wie ein herkömmliches BHKW, an dem Verschleiß, Erschütterungen und Lärm auftreten.

Zur Zeit sind jedoch bei Brennstoffzellen-BHKWs die Investionskosten sehr hoch. Die Membrane hat zur Zeit nur eine Lebensdauer von ca. 1000 Stunden. Auch kostet die erzeugte Kilowattstunde bis zu 50 Cent, bedingt durch den Reformer. Wegen der thermischen Trägheit benötigt das Brennstoffzellen-BHKW eine Anwärmzeit von zwanzig Minuten. Bei zunehmender Betriebszeit setzt eine Leistungsverminderung bei der Brennstoffzelle ein.

Trotz dieser Nachteile wird mit hohen Investionen an der Brennstoffzelle weiter geforscht. Der Einzug des BZ-BHKW in den Heizungskeller ist in Zukunft nicht mehr auszuschließen.

In einer ersten Stufe wird wegen der Infrastruktur Erdgas als Brennstoff verwendet. In einer weiteren Aufbaustufe wird als Brennstoff Wasserstoff erwogen, der solar erzeugt wird. Das Europäische Parlament verabschiedete 2005 ein Wasserstoffmanifest. In diesem Manifest wird eine umweltfreundliche Wasserstoff- Produktion und Wirtschaft gefordert. Die Brennstoffzelle kann für Wärme, Strom und Verkehr eingesetzt werden. Die Preise für Energie würden deutlich verringert werden und Europa wäre von Gas und Öl unabhängiger.

Blockheizkraftwerk - Regenerative Energie

© MH-Anlagentechnik GmbH 16.12.2007

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