Funktionsprinzip
Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler. Sie besteht (ähnlich wie eine Batterie) aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten räumlich voneinander getrennt sind. Der Elektrolyt ist undurchlässig für Gase, leitet aber Ionen. Der Anode wird Wasserstoff (H2), der Kathode Sauerstoff (O) zugeführt. Bei der Reaktion beider Gase entsteht zwischen den Elektroden eine Spannung, die in einem angeschlossenen Verbraucher einen Stromfluss hervorruft. Gleichzeitig entsteht Wärme, die ebenfalls genutzt werden kann (Kraft-Wärme- Kopplung). Als Reaktionsprodukt fällt Wasser an. Um technisch nutzbare Spannungen zu erhalten, werden je nach erforderlicher Leistung mehrere Zellen in Reihe geschaltet oder „gestapelt“ (Stack). Die anfallende Wärme wird über einen Kältekreislauf ausgekoppelt.
Brenngas
Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff betrieben. Er kommt jedoch in der Natur nur in gebundener Form vor und muss erst durch spezielle Verfahren erzeugt werden (Brenngasaufbereitung). Die Wasserstoffgewinnung mit Hilfe von regenerativen Energien ist derzeit noch eine Zukunftsoption. Deshalb werden auf absehbare Zeit kohlenwasserstoffreiche Gase als Wasserstofflieferant für Brennstoffzellen dienen. Besonders gute Voraussetzungen bietet dabei Erdgas.
Einsatzmöglichkeiten
Die Brennstoffzelle gilt als eine wichtige Option für die künftige Energieversorgung, vor allem in Bezug auf die Ziele des Klimaschutzes und hier insbesondere auf die Reduzierung der CO2-Emissionen (Kohlendioxid). Sie arbeitet nahezu emissionsfrei, sehr geräuscharm und mit einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad. Gleichzeitig ist sie äußerst vielseitig: Die Technologie kann für mobile Anwendungen (Fahrzeuge, Raumfahrt, Schifffahrt) und portable Geräte (z.B. Laptops, Camcorder, Handys) ebenso genutzt werden wie für die stationäre Erzeugung von Strom und Wärme. Vor allem für die Kraft-Wärme-Kopplung in der Hausenergieversorgung werden der stationären, mit Erdgas betriebenen Brennstoffzelle im kleineren Leistungsbereich gute Zukunftschancen eingeräumt (dezentrale Stromerzeugung).
Entwicklung/Status
Das Prinzip der Brennstoffzelle ist nicht neu (Geschichte), wurde allerdings erst Mitte des 20. Jahrhunderts als alternative Antriebsmöglichkeit für die Luft- und Raumfahrt wieder entdeckt. Für die zivile Nutzung rückte die Brennstoffzellentechnologie erst in den letzten Jahren bei der Suche nach ressourcenschonenden Energiequellen in den Fokus der Aufmerksamkeit. Inzwischen gilt sie in vielen Anwendungsbereichen als zukunftsfähige Innovation, deren Entwicklung und Erprobung intensiv vorangetrieben wird. Allerdings wird noch einige Zeit vergehen, bis technisch ausgereifte, zuverlässige und konkurrenzfähige Produkte zur Verfügung stehen. Derzeit läuft mit Callux der bundesweit größte Praxistest von Brennstoffzellen-Heizgeräten fürs Eigenheim. Zunächst werden im Rahmen von Callux in den nächsten Jahren zahlreiche Brennstoffzellen-Heizgeräte als Testanlagen installiert, bevor in der zweiten Phase die Marktvorbereitungen anlaufen werden. Haben die Demonstrationsanlagen ihre Alltagstauglichkeit unter Beweis gestellt, steht der Markteinführung nichts mehr im Wege.
Peripherie
Ein Brennstoffzellensystem umfasst nicht nur den Brennstoffzellen-Stapel (Stack) selbst, sondern auch das technische Umfeld mit verschiedenen Komponenten. Dazu gehören die Brenngasaufbereitung und der Wechselrichter, aber auch die erforderliche Steuer- und Regeltechnik (Energiemanager).