Vor rund 180 Jahren wurde die Brennstoffzelle erfunden, heute gilt sie als moderne und wegweisende Zukunftstechnologie. Doch wie funktioniert sie, wie ist sie aufgebaut und in welchen Feldern findet sie bereits Anwendung?
Definition Brennstoffzelle:
Die Brennstoffzelle erzeugt in einem chemischen Prozess, der auf dem Prinzip der Elektrolyse beruht, sowohl thermische als auch elektrische Energie. Dabei wird ein Brennstoff (meistens Wasserstoff) kontinuierlich zugeführt und mittels Reaktion in Energie umgewandelt.
Die Brennstoffzelle macht sich eine chemische Reaktion zunutze, die viele in anderer Form noch aus dem Chemieunterricht kennen: die Elektrolyse. Dabei reagiert Wasser mithilfe von Elektroden und elektrischem Strom zu Wasserstoff und Sauerstoff: 2H2O -> 2H2 + O2. Die Brennstoffzelle nutzt diese Funktionsweise und kehrt sie einfach um. Man spricht bei diesem Prozess der „umgekehrten Elektrolyse“ auch von „kalter Verbrennung“. Kurz zusammengefasst wandeln Brennstoffzellen dabei Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, Strom und Wärme um. Der Vorgang ist sehr sicher und weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Und so funktioniert es:
Das wohl vielversprechendste Anwendungsfeld der Brennstoffzellentechnologie ist der Heizungsmarkt. Die Brennstoffzellenheizung ist als „Solaranlage für den Keller“ schon heute in zahlreichen Haushalten installiert und sorgt beständig für Strom und Wärme – und das ganz wetterunabhängig. Die Heizungsart hat die Nutzung der Technologie perfektioniert und erzielt somit einen sehr hohen Wirkungsgrad. Und so wird das Funktionsprinzip auf eine Heizung übertragen:
In Deutschland gibt es keine Wasserstoffleitungen – deshalb ist für den Betrieb einer Brennstoffzellenheizung ein Gasanschluss notwendig. Mithilfe des sogenannten Reformers wird Wasserstoff aus Erdgas (das zum Großteil aus H2 besteht) abgespalten und für die chemische Reaktion der „kalten Verbrennung“ genutzt. Gleichstrom wird zu Wechselstrom umgewandelt, fließt danach direkt in das Leitungsnetz und darüber in die Steckdosen des Haushalts. Sollte mehr elektrische Energie produziert werden als nötig, so wird diese ins Netz eingespeist und damit an den Netzbetreiber verkauft. Die entstehende Wärme und der Wasserdampf werden für Heizung und Warmwasser verwendet – oftmals ergänzt durch einen Warmwasserspeicher, der überschüssige Energie abpuffert.
Wer nicht so viel investieren will, dem stehen mit einer Gasheizung oder einer Wärmepumpe umweltfreundliche Alternativen zur Verfügung, die jedoch keinen Strom erzeugen können.
Neben der Heizung kommt die Brennstoffzellentechnologie auch noch in anderen Bereichen zum Einsatz. Die bekanntesten hierunter sind:
Aktuell deutet vieles darauf hin, dass die Technologie im Laufe der nächsten Jahre noch breiter eingesetzt werden wird. So ist etwa mit einer weiteren Optimierung der Technik zu rechnen, was sich in einer günstigeren Herstellung – etwa von Brennstoffzellenheizungen – niederschlägt. Sinken die Preise, steigt vermutlich auch die Nachfrage, was die Produktion höherer Stückzahlen zu niedrigeren Kosten zur Folge haben könnte. Darauf könnten wiederum eine erneute Preissenkung und eine entsprechend noch höhere Verbreitung folgen.
Die Brennstoffzelle macht sich das Prinzip der Elektrolyse zunutze und kehrt den Prozess um: In einer chemischen Reaktion werden Wasser- und Sauerstoff kontrolliert zusammengeführt. Dadurch entsteht Wasser, Wärme und Strom. Die Technik ist hocheffizient, flüsterleise und umweltschonend – hat aber ihren Preis. Die breite Öffentlichkeit profitiert davon hauptsächlich im Heizungsbereich, wo die Brennstoffzellenheizung das Eigenheim heute schon neben Wärme auch mit Strom versorgt. Im Weltall wird die Technik seit den 1960er Jahren verwendet.
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