Strom und Wärme mit Brennstoffzellen

Brennstoffzellen liefern Strom und Wärme und verbrauchen dazu Wasserstoff und (Luft-)sauerstoff. Je nach Konstruktion ist die Stromausbeute pro eingesetzter Menge Wasserstoff dabei recht hoch, verglichen zum Beispiel mit einer Gasturbine.

Strom und Wärme zählen zu den wichtigsten Erscheinungsformen von Energie. Strom ist universeller nutzbar – man spricht von einer höherwertigen Energieform. Wärme beherrscht dagegen mit einem Anteil von über 50 Prozent den Energieverbrauch in Deutschland. Auch Wärme ist also kostbare Energie. Und sie fällt meistens zusätzlich an, wenn Energie umgewandelt oder zur Verrichtung von Arbeit eingesetzt wird. Man erkennt das ungefähre Verhältnis oft am Wirkungsgrad einer Technologie. Ein Ottomotor verwandelt zum Beispiel etwa 36 Prozent seines Kraftstoffs in Bewegung, der Rest ist zu großen Teilen Wärme. Auch bei der Stromproduktion im Kraftwerk fällt oft zusätzlich Wärme an. Diese wird heute schon häufig nach dem Verfahren der Kraft-Wärme-Kopplung an ein Wärmenetz abgegeben und zum Beispiel zum Heizen weitergenutzt. Der intelligente Umgang mit „Abwärme“ ist ein notwendiger Schritt, um unseren Verbrauch von Energie insgesamt zu verringern.

Brennstoffzellen liefern Strom und verbrauchen dazu Wasserstoff und (Luft-)sauerstoff. Je nach Konstruktion ist die Stromausbeute pro eingesetzter Menge Wasserstoff dabei recht hoch, verglichen zum Beispiel mit einer Gasturbine. Das liegt daran, dass Turbinen – und andere sogenannte Wärmekraftmaschinen – die chemische Energie des Wasserstoffs zunächst in Wärme, dann in mechanische und erst dann schließlich in elektrische Energie umwandeln. Eine Brennstoffzelle geht den direkten elektro-chemischen Weg und erreicht so einen typischen Wirkungsgrad zwischen 50 und 80 Prozent.

Trotzdem entsteht auch in einer Brennstoffzelle Wärme, die an die Umgebung abgegeben wird. Es sei denn: Man findet einen Weg, diese Wärme effizient zu nutzen. Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung bietet sich hierfür an. Auf diese Weise eingesetzt, verringert die Brennstoffzellen-Technologie auch Übertragungsverluste im Strom- oder Wärmenetz. Denn oft kann dort, wo Strom benötigt wird, auch Wärme sinnvoll eingesetzt werden. Und weil Brennstoffzellen in den unterschiedlichsten Größen produziert und verwendet werden können, sind sie ideal für dezentrale Anwendungen und netzunabhängige „Insellösungen“ geeignet. Strom- und Wärmeproduktion finden dann direkt am Ort des Verbauchs statt – zu Hause, in der Industrie oder auch unterwegs.

Energie und Wärme hausgemacht

Brennstoffzellen im Eigenheim? Das mag zunächst noch ungewöhnlich klingen, ist aber tatsächlich eine zukunftsweisende Technologie zur Versorgung des Wohnbereichs mit Strom und Wärme. Dazu wird ein sogenanntes Brennstoffzellen-Heizgerät anstelle des üblichen Heizkessels installiert und an das Erdgasnetz angeschlossen. Die Vorteile: Die Geräte erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme. Auf diese Weise geht keine Energie verloren. Und weil die Stromproduktion vor Ort und nur nach Bedarf erfolgt, treten auch keine Leitungsverluste auf. Insgesamt kann auf diesem Weg etwa die Hälfte der bisher für die Versorgung eines Haushaltes notwendigen Primärenergie eingespart werden. Und das ist nicht wenig, denn derzeit fallen etwa 30% des Primärenergiebedarfs in Europa in Wohngebäuden an.

Das Leuchtturmprojekt Callux
Im größten bundesweiten Praxistest Callux wurde bis 2015 die energiesparende und klimaschonende Technologie der Brennstoffzellen-Heizgeräte im alltäglichen Einsatz erprobt und weiterentwickelt. Das Projekt wurde von Partnern aus der Energiewirtschaft und der Heizgeräteindustrie mit Unterstützung des Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) initiiert. Die Förderung erfolgte im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP), das von der NOW GmbH koordiniert wird. Die Gesamtinvestitionen aus Wirtschaft und öffentlicher Hand betrugen für das Leuchtturmprojekt Callux rund 86 Millionen Euro.
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Die Brennstoffzelle unterwegs

Brennstoffzellen arbeiten lautlos, hocheffizient und verursachen keine schädlichen Emissionen. Zudem ist ihre Kapazität prinzipiell unbegrenzt, solange ausreichend Wasserstoff oder andere Kraftstoffe wie zum Beispiel Methan, Propan oder auch Methanol zur Verfügung stehen. Daher sind sie für die mobile und ortsunabhängige Stromerzeugung besonders geeignet.

Das Leuchtturmprojekt e4ships
Die Schifffahrt ist mit knapp drei Prozent am globalen CO2-Ausstoß beteiligt. Hinzu kommen Schadstoffe wie Schwefeldioxid, Stickoxide und Rußpartikel, die aus der Verwendung von Schweröl als Treibstoff stammen. Um Mensch und Umwelt zu entlasten, haben sich Werften, Reedereien, Brennstoffzellenhersteller und Klassifikationsgesellschaften 2009 im NIP-Leuchtturmprojekt »e4ships« zusammengeschlossen. Unter Koordinierung der NOW entwickeln und erproben sie neue Technologien, die konventionelle Schiffsaggregate zur Bordstromversorgung künftig ersetzen sollen. Das Gesamtvolumen beläuft sich auf ca. 50 Millionen Euro, jeweils zur Hälfte getragen durch die Partner und das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI).
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