Funktion und Einsatz

Brennstoffzellen existieren schon fast zwei Jahrhunderte, werden aber hauptsächlich erst seit den letzten Jahrzehnten kommerziell verwendet.

Wo werden Brennstoffzellen eingesetzt?

Brennstoffzellen können für primäre Energie, sowie für Backup-Power kommerzieller und industrieller Gebäude genutzt werden. Ein großer Vorteil liegt darin, dass sie auch an entlegenen Orten eingesetzt werden, sowie als Krafterzeuger für Transportmittel- fungieren können. Die Steigerung der Strompreise hat diese Technologie erst seit den letzten Jahre
Im Vergleich zu einem Gas-Brennwertkessel sollen die neue Brennstoffzellheizungen 40 Prozent der häuslichen Energiekosten sparen. In einem Tag können die Geräte, die ungefähr so groß wie ein Schrank sind, bis zu 15 Kilowattstunden an Strom erzeugen.n ökonomisch sinnvoll werden lassen. Dabei kostet sie jedoch deutlich mehr als seine Alternativen. Die Hauptunterschiede zwischen den verschiedenen Brennstoffzellen liegen in der unterschiedlichen Startzeit und der Art der Elektrolyte. Diese Zeit kann bei einer Sekunde bei Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEFC oder PEMFC) und bei bis zehn Minuten bei Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) liegen.

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Brennstoffzellen-Funktionsweise

Die Brennstoffzellenheizung gibt es in vielen Sorten, aber sie folgen alle dem gleichen Prinzip. Sie bestehen aus drei Hauptkomponenten: die Anode, der Elektrolyt und die Kathode. Zwischen den Komponenten entstehen zwei chemische Reaktionen. Das Nettoergebnis der beiden Reaktionen ist, dass Kraftstoff verbraucht, Wasser oder Kohlendioxid erzeugt und ein elektrischer Stromfluss entsteht.

 Abbildung: Viessmann Werke

An der Anode oxidiert ein Katalysator mit dem Brennstoff, meist Wasserstoff. Der Kraftstoff wird dann in positiv geladenen Ionen und negativ geladenen Elektronen umgewandelt. Eine Elektrolytmembran ist zwischen der Anode und der Kathode angelegt. Durch ihren speziellen Aufbau kann die Membran Ionen durchlassen, die Elektronen hingegen, müssen ein anderer Weg finden. Die frei gesetzten Elektronen wandern durch einen Draht und erzeugen dabei elektrischen Strom. Auf der Kathode verbinden sich die Ionen mit den Elektronen wieder, und die beiden reagieren mit einer dritten Chemikalie auf der Kathode.
In der Regel ist dies Sauerstoff, wodurch Wasser oder Kohlendioxid, sowie Abwärme entsteht. Eine typische Brennstoffzelle erzeugt eine Spannung von 0,6 V bis 1 V. Um die gewünschte Menge an Energie zu liefern, können die Brennstoffzellen in einem sogenannten “Stack” kombiniert werden. Für eine höhere Spannung werden die Zellen in einer Serie kombiniert und parallel zusammengeschalten, um einen eine größere Menge an Strom zu erzeugen. Eine der Hauptvorteile der Brennstoffzellen ist ihre Umweltfreundlichkeit. An Emissionen entstehen bei der Gasbrennstoffzellenverbrennung nur Wasserdampf oder Kohlendioxid.

Mit Brennstoffzellen heizen

Eine Brennstoffzellenheizung ist eine Art Mikro-KWK-Anlage. Die Abwärme, aus der Reaktion an der Kathode, wird in diesem Gerät für die Warmwasseraufbereitung genutzt. Bei Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEMFC) erreicht diese Abwärmetemperatur nur etwa 80 °C, wodurch die Wasserstände, Feuchtigkeit und Luftbedingungen innerhalb der Zelle überwacht werden müssen, um ein optimales Stromproduktionsniveau zu erreichen. Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) verwenden einen Elektrolyten Festoxid um die negativen Sauerstoffionen von der Kathode zu der Anode zu leiten. Dabei entstehen hohe Temperaturen zwischen 500 und 1000 °C.

Wasserstoff in seiner reinen Form gibt in der Natur nicht. Wenn Wasserstoff verwendet wird, wird das CO2 freigesetzt. Dabei wird Methan aus Erdgas mit Dampf in einem Dampfreformierungsprozess kombiniert. Der Prozess kann auch von der Brennstoffzelle räumlich getrennt werden. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung einer Brennstoffzellenheizung liegt in der Regel zwischen 40 und 60%. Wenn auch die Wärmeerzeugung mit einberechnet wird, steigt den gesamten Wirkungsgrad bis auf 85 oder 90%. Die Lebensdauer einer modernen Brennstoffzelle beträgt mehr als zehn Jahre.

Fazit und Zusammenfassung

Brennstoffzellheizung ist in der Regel für Neubauten oder sarnierte Häuser mit einem niedrigen Energiebedarf geeignet. Falls mehr Wärmebedarf in kalten Tagen entsteht, kann ein zusätzliches Gas-Brennwertgerät mit der Brennstoffzelle kombiniert werden. Im Gegenteil zu Motor angetriebenen BHKWs haben Brennstoffzellheizungen keine beweglichen Teile und sind dadurch robuster und langlebiger. Auf diese Weise erhalten die Nutzer einer Brennstoffzellenheizung Warmwasser und Strom, nur mithilfe eines einfachen Erdgasanschlusses.

 

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