Brennstoffzellen-Heizungen: Strom und Wärme aus einem System

Funktionsweise einer Brennstoffzellen-Heizung einfach erklärt

Die Brennstoffzelle zählt zu den WKK-Technologien. Eine Wärme-Kraft-Kopplung produziert Wärme und gleichzeitig auch elektrischen Strom, so wie beispielsweise ein Blockheizkraftwerk.

Die Brennstoffzelle stellt also dem Betreiber Raumwärme sowie elektrischen Strom zur Verfügung. Anders als bei den anderen Wärme-Kraft-Kopplungen läuft die Energiegewinnung durch die sogenannte kalte Verbrennung ab. Darunter versteht man einen elektrochemischen Prozess zur Gewinnung von Energie durch gegenseitige Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei wird Wasserstoff als Hauptrohstoff zur Energiegewinnung bezogen.

Wasserstoff ist grundsätzlich in ausreichender Menge verfügbar, muss aber beim heutigen Stand der Technologie zusätzlich von einem fossilen Brennstoff erzeugt werden. Bei den heutigen Brennstoffzellen ist dies der fossile Brennstoff Gas. Dabei durchläuft die kalte Verbrennung folgende Stationen:

• Der Reformer versetzt Erdgas mit Wasserdampf.
• Das im Gas enthaltene Methan wird zu einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff.
• Dann werden die Substanzen zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgesetzt.
• Der Wasserstoff wird gereinigt und an die Brennstoffzelle weitergegeben, Kohlenstoffdioxid entweicht in die Umgebung.

Dadurch verursacht die Brennstoffzelle Emissionen, welche durch das Gas freigegeben werden. Ziel ist es, bei zukünftigen Brennstoffzellen auf den Einsatz von fossilen Brennstoffen verzichten zu können.

So wird Wärme und Strom erzeugt

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden. Diese Elektroden werden durch eine Membran voneinander getrennt. Die Wärme- und Stromerzeugung durchläuft folgende Schritte:

• Der Wasserstoff gelangt auf die negativ geladene Anode. Dort trennt ein Katalysator Elektronen und Protonen voneinander.
• Die nun ungebundenen Elektronen wandern darauf über einen elektrischen Leiter zur positiv geladenen Kathode, es fliesst Strom.
• Die Protonen dagegen schlüpfen durch die nur für sie durchlässige Membran und verbinden sich mit den Elektronen und dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Dabei entsteht neben der Wärme, die an die Brennstoffzelle abgegeben wird, Wasser als Nebenprodukt.
• Diese Reaktion läuft in einer Brennstoffzellenheizung vielfach ab, denn die Energiemenge einer einzelnen Zelle reicht nicht aus.

Ausschlaggebend für einen wirtschaftlichen Betrieb der Brennstoffzelle ist die Stromproduktion. Damit diese möglichst hoch ausfällt, muss die Brennstoffzellenheizung hohe Laufzeiten erreichen. Das heisst auch, dass die Heizung bei hohem Wärmebedarf an ihre Grenzen stösst.

Die Technik der Brennstoffzellen-Heizung ist noch relativ neu. Da sie mit Gas betrieben wird, entstehen treibhausrelevante Emissionen.