Brennstoffzellen

Ist die Technologie ausgereift?

Wasserstoff als potentieller Energieträger wurde schon vor über 100 Jahren entdeckt. Bis heute kommt Wasserstoff als Zusatzstoff beim Schweißen zum Einsatz. Auch als Energielieferant für Brennstoffzellen in Fahrzeugen und Schiffen hat sich Wasserstoff bislang ganz ohne Zwischenfälle bewährt.

In Japan werden seit 2009 Brennstoffzellenheizungen im Wohnbereich stationär verwendet. Die Verkaufszahl ist seitdem auf mehr als 200.000 gestiegen. Auch hierzulande werden jährlich mehrere hundert Brennstoffzellen-Heizgeräte in Betrieb genommen. Die Technologie hat also eine hohe technische Reife erreicht und wird in Großserie produziert.

Wasserstoff als Brennstoff und Energiespeicher

Wasserstoff als Brennstoff und Energiespeicher

Auf die Masse bezogen hat Wasserstoff von allen Brennstoffen mit 33,33 kWh/kg die höchste Energiedichte. Im Vergleich: Methan hat eine massebezogene Energiedichte von 13,9 kWh/kg, bei Benzin beträgt sie 12 kWh/kg. Wasserstoff ist außerdem das leichteste Gas – seine volumenbezogene Energiedichte beträgt gerade einmal 3 kWh/Nm³, die von Benzin hingegen 8.800 kWh/Nm³. Das als Nm³ bezeichnete Normvolumen ist eine Maßeinheit für Gasmengen bei identischem Druck und Temperatur. Für die Nutzung als Treibstoff wird Wasserstoff daher entweder stark komprimiert oder verflüssigt.

Anders als Erdgas, Erdöl und Kohle, die als Primärenergieträger gelten, wird Wasserstoff als Sekundärenergieträger genutzt. Schließlich kommt er in der Natur nicht in reiner Form vor, sondern muss zunächst erzeugt werden. Er unterscheidet sich auch in vieler Hinsicht von anderen Brennstoffen. Reiner Wasserstoff als Energielieferant ist unter anderem:

• nicht explosionsfähig
• nicht selbstentzündlich
• nicht zerfallsfähig (wie. z. B. Acetylen)
• nicht oxidierend (brandfördernd)
• nicht giftig
• nicht ätzend
• nicht radioaktiv

Die kalte Verbrennung

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Die Brennstoffzelle funktioniert mit der kalten Verbrennung. Das heißt, der Strom- und Wärmeerzeugung bei der Vitovalor liegt eine elektrochemische Reaktion der beiden Elemente Sauerstoff und Wasserstoff zugrunde. Eine Verbrennung wie bei konventionellen Heizgeräten findet nicht statt, weshalb der Prozess auch als kalte Verbrennung bezeichnet wird.

Wasserstoff kommt in der Natur zwar massenhaft vor, jedoch nicht in der Form, wie er für die kalte Verbrennung in der Vitovalor benötigt wird. Aus diesem Grund muss er zuvor aus Erdgas gewonnen werden. Je nach Bedarf kann die Vitovalor PT2 mit Erdgas H, E, LL-Gas oder Bio-Erdgas betrieben werden. Das Beistellgerät Vitovalor PA2 kann mit Erdgas E und LL betrieben werden.

Das zugeführte Brenngas durchfließt einen in der Einheit eingebauten Reformer, der es mithilfe eines Katalysators in einer zweistufigen Reaktion in Wasserstoff umwandelt. Bei der Umwandlung kommt es zunächst zu einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Erst in der zweiten nachgeschalteten Gasreinigung wird aus dem Kohlenstoffmonoxid Kohlenstoffdioxid.

Wie aus Wasserstoff Strom und Wärme wird

Der so gewonnene Wasserstoff wird zunächst dem Brennstoffzellenmodul zugeführt. Im Anschluss wird er dort von einem Katalysator auf der Anodenseite in positive Ionen und negative Elektronen geteilt. Letztere wandern von der Anode über einen elektrischen Leiter zur Kathode und produzieren dabei Gleichstrom. Der eingebaute Inverter wandelt ihn in Wechselstrom um, bevor er ihn in das Stromnetz einspeist. Zeitgleich gelangen die positiv geladenen Ionen zur Kathode und reagieren dort mit Sauerstoff. Die bei dieser Reaktion freigesetzte Wärme wird von den mit Wasser gefüllten Kühlkanälen des Brennstoffzellen-Stacks aufgenommen und an einen Wärmetauscher weitergeleitet. Die so gewonnene Wärmeenergie kann nun zur Raumbeheizung oder Trinkwassererwärmung genutzt werden. Die Aufspaltung in positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen verhindert zudem eine Knallgasreaktion.