Zukunftsweisende Brennstoffzellen: Strom und Wärme mit Biogas
Eine besonders innovative Technologie macht zurzeit nicht nur bei Autos, sondern auch bei der Energieversorgung von Häusern auf sich aufmerksam: die Brennstoffzelle. Sie ist in aller Munde, aber die wenigsten wissen genau, was sich dahinter verbirgt.
Wie funktioniert eine Brennstoffzellenanlage? Ähnlich wie ein herkömmliches Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugt eine Brennstoffzellenanlage, anders als andere Heizsysteme, gleichzeitig Wärme und Strom aus dem Energieträger, in diesem Falle Biogas. Dabei dient das Biogas als Lieferant der Energie, um eine chemische Reaktion auszulösen, welche notwendig ist, um Heizung und Stromverbraucher zu betreiben.
Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer Anode und einer Kathode, die durch ein Elektrolyt mit einer festen, ionendurchlässigen Membrane getrennt sind. Damit ist die Grundlage geschaffen zur notwendigen chemischen Reaktion zwischen Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) zu Wasser (H2O). Dabei dient das Biogas als Lieferant des Wasserstoffs. Was passiert nun eigentlich genau, wenn Sauerstoff und Wasserstoff reagieren? Man spricht von einer kalten Verbrennung. Durch die Membrane wird der Wasserstoff dazu gezwungen, sich in Protonen und Elektronen aufzuspalten. Die Protonen können durch die Membrane wandern, während die Elektronen zur Kathode wandern und dabei Strom erzeugen. Gleichzeitig entsteht bei der Reaktion der restlichen Teilchen in der Kathode zu Wasser Prozesswärme als Heizenergie.
Erfunden wurde die Brennstoffzelle bereits im Jahre 1838 von Christian Friedrich Schönbein. Doch ihr Erfolg wurde vorerst durch eine andere Erfindung vereitelt: Der Elektromotor von Werner Siemens revolutionierte 1856 die Energietechnik, und es sollte fast 100 Jahre dauern, bis die Brennstoffzelle in der Raumfahrt verspätet den erfolgreichen Durchbruch erreichte. Danach folgte die Entwicklung von weiteren Anwendungen in der Fahrzeug- und Heizungstechnik.
Heutiger Stand der Brennstoffzellen-Technik
Seit den 1990er Jahren wird in der Schweiz intensiv an der Entwicklung von Brennstoffzellen-Geräten zur Erzeugung von Strom und Heizwärme für den Privatbereich gearbeitet. Dabei gilt Winterthur als Zentrum der schweizerischen Brennstoffzellen-Forschung. Hier setzt man bevorzugt auf die Hochtemperaturzellen-Technologie SOFC mit etwa 850 ºC Betriebstemperatur, während in Japan vorwiegend die Niedertemperaturzellen PEMFC zum Einsatz kommen, die mit 40 bis 160 Grad Celsius arbeiten.
Mit Hochdruck arbeiten Unternehmen auf der ganzen Welt daran, den Nachteil der hohen Investitionskosten bei der Anschaffung der neuen Technik zu senken. Den Löwenteil des Preises verschlingt die Brennstoffzelle. Das hat zwei Gründe: Die sehr hohen Herstellungskosten und die noch sehr geringe Stückzahl, die weit von einer Massenproduktion entfernt ist. Daher versuchen die Hersteller in der Schweiz, über Anreize und das Betonen der besonderen Vorteile dieser umweltfreundlichen Energiequelle die Akzeptanz bei den Hausbesitzern zu erhöhen. Ausserdem fördert die schweizerische Gaswirtschaft über die Subventionierung von Biogas den Einsatz dieser Energiequelle, die sich ideal zum Betrieb von Brennstoffzellenanlagen eignet.
Gerade in der Schweiz hat Biogas als regenerative Energie einen hohen Stellenwert erreicht. Im Gegensatz zu seiner fossilen Variante Erdgas kann Biogas theoretisch unendlich produziert werden und punktet auch bei der sauberen Verbrennung mit deutlich geringerem Schadstoffanteil. Deshalb ist Biogas die ideale Antriebsenergie für eine brennstoffzellenbasierte Heizungsanlage im privaten Bereich.
Was kostet die neue Technik?
Die (noch) sehr hohen Anschaffungskosten wurden bereits angesprochen, und leider werden Brennstoffzellen-Anlagen in der Schweiz im Moment (noch) nicht staatlich gefördert. Daraus resultiert eine deutlich geringere Zahl von installierten Anlagen von nur einigen Hundert in der Schweiz, im Gegensatz zum Nachbarland Deutschland, wo sie mit bis zu 13’000 Franken pro Haushalt gefördert werden. Es bleibt zu hoffen, dass auch hierzulande ein Förderprogramm die zukunftsweisende und umweltfreundliche Technologie unterstützt. Bei durchschnittlichen Anlagenpreisen von etwa 30’000 bis 50’000 Franken, je nach Grösse und Bauart, ist die Technik noch weit von einer flächendeckenden Verbreitung entfernt.
Heutzutage erreicht der Gesamtwirkungsgrad bereits fast 90 Prozent. Das ist ein bemerkenswertes Ergebnis und könnte in Zukunft sogar noch gesteigert werden, wenn der notwendige Strom für die Elektrolyse durch eine Photovoltaikanlage und nicht durch Gas gewonnen würde. Die notwendige Technik dazu ist allerdings noch nicht zu erschwinglichen Preisen verfügbar. Ausserdem muss momentan noch eine unterstützende Gasheizung integriert werden, die allerdings in den oben genannten Preisen bereits eingerechnet ist. Die Effizienz der Anlage wird durch die Installation eines Pufferspeichers deutlich verbessert.
Ein Zukunftsausblick
Die Brennstoffzellen-Technik für private Haushalte ist noch eine junge Form der Energieerzeugung, bis 2015 wurden Brennstoffzellenanlagen nur als Prototypen in Forschungsprojekten in Modellhäusern eingesetzt. So gesehen hat sich ihre Verbreitung rasant entwickelt, von quasi Null vor fünf Jahren auf einige Hundert im Jahre 2020, in anderen Ländern sogar noch deutlich mehr. Dies hilft, allmählich den Herstellungspreis pro Einheit zu senken und diese Energiealternative marktfähig zu machen.
Ein wesentlicher Vorteil, der für die Brennstoffzellen-Technik spricht, ist die Vielseitigkeit und Flexibilität der benötigten Primärenergie. Um Wasserstoff zu erzeugen, kann man nämlich nicht nur Erdgas einsetzen, sondern auch andere, regenerativ erzeugte Energieträger. Notwendig ist nur eine Energiezufuhr, die den im Übermass vorkommenden Wasserstoff aus seiner stabilen chemischen Verbindung mit einem anderen Element herauslöst. Es eignen sich als umweltfreundliche Primärenergien: Biogas, Bioethanol, Strom aus Windenergie sowie Strom aus Sonnenenergie.
Eins ist klar: Wer heute eine Anlage in Brennstoffzellen-Technik zur Deckung der Heizenergie und des Stromverbrauchs seines Hauses installiert, investiert gleichzeitig in die Zukunft. Diese modernen Allround-Kessel sind serienmässig mit dem Internet verbunden, so dass eventuelle Unregelmässigkeiten nicht nur zeitgleich registriert, sondern sogar per Fernwartung korrigiert werden können. Dies alles macht die Brennstoffzellenanlagen zur Energietechnik des 21. Jahrhunderts.
Autor: Maximilian Pawelzik, Baufritz AG, Ökohaus-Pionier
