- Veröffentlicht am 6. Feb. 2024
- Zuletzt bearbeitet am 6. Feb. 2024
- 9 min
Was sind Wasserstoff-Brennstoffzellen?
Die Nutzung von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist ein wichtiger Bestandteil für die Bemühungen in vielen Industriezweigen, fossile Energiequellen durch nachhaltige und umweltschonende Produkte und Lösungen zu ersetzen. Wasserstoff-Brennstoffzellen gibt es mittlerweile in vielen Bereichen, ob Fahrzeuge, Züge oder Wasserstoffheizungen. Im folgenden Artikel wird ein Überblick über die technischen Grundlagen und die vielseitige Nutzung von Wasserstoff-Brennzellen in der Industrie geboten.
Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen durch elektrochemische Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie. Dabei handelt es sich um eine saubere und effiziente Energietechnologie, mit der Strom erzeugt wird und Wasser und Wärme als Nebenprodukte entstehen, die z. B. in Wasserstoff-Heizungen genutzt werden.
Diese Brennstoffzelle wandelt dabei die kontinuierliche Zufuhr eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Bei dieser Art der Energieerzeugung weist sie deutlich höhere Wirkungsgrade als z. B. ein herkömmliches Kraftwerk auf.
Die Wasserstoff-Brennstoffzellen werden häufig in der netzunabhängigen Stromversorgung angewendet. Dabei werden Gebäude mit Wärme und Elektrizität versorgt, aber auch netzferne Geräte wie Messstationen, Elektrogeräte beim Camping und Reisen, Warentransporte und Brennstoffzellenfahrzeuge.
Definition von Brennstoffzelle Wasserstoff
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist nichts Weiteres als ein elektrochemisches Gerät, in dem durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt wird. Sie basiert auf dem Prinzip, die im Wasserstoffgas gespeicherte chemische Energie direkt in Strom umzuwandeln und dabei auch Wasser und Wärme zu produzieren.
Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle
Die Grundkomponenten einer solchen Wasserstoff-Brennstoffzelle sind jeweils eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt. Der Anode wird Wasserstoff und der Kathode Sauerstoff aus der Luft zugeführt. Dabei entsteht die chemische Reaktion, aus der Energie hervorgeht.
Aufbau & Struktur einer Wasserstoff-Brennstoffzelle
Die drei Komponenten übernehmen dabei folgende Aufgaben:
- Anode: Hier werden die Wasserstoffmoleküle (H₂) in Protonen (H+) und Elektronen gespalten. Die Elektronen werden danach durch einen externen Stromkreis geleitet, wobei elektrischer Strom entsteht.
- Kathode: Der Sauerstoff, der aus der Luft hinzugefügt wird, reagiert mit Elektronen und Protonen, die durch den Kreislauf gewandert sind, woraus Wasser (H₂O) entsteht. Wie die Anode besteht auch die Kathode aus porösem Kohlenstoff.
- Elektrolyt: Hierbei handelt es sich um ein Material, das die Protonen durchlässt und die Bewegung der Elektronen blockiert. Häufig handelt es sich bei dieser Komponente um ein spezielles Polymer oder ein ähnliches Material, das speziell für diesen Zweck entwickelt wurde.
- Elektrischer Stromkreis: Der Elektronenfluss erfolgt schließlich durch einen externen Stromkreis und produziert elektrischen Strom, der zur Versorgung von elektrischen Geräten eingesetzt werden kann.
Energie aus Wasserstoff-Brennstoffzellen
Die Wasserstoff-Brennstoffzellen gelten als eine saubere und effiziente Technologie für die Stromerzeugung, da hier der Strom ohne Schadstoffe oder Treibhausgasemissionen erzeugt wird. Deshalb werden diese Zellen gerne in verschiedenen Bereichen eingesetzt, z. B. im Transportwesen (Brennstoffzellenfahrzeuge), in der stationären Stromerzeugung und bei tragbaren Elektronikgeräten.
Die Entwicklung der Technologien für die Wasserstoff-Brennstoffzellen ist ein Teil der aktuellen Bemühungen um den Übergang von fossilen zu umweltfreundlichen Energiequellen.
Das Design und die Größe dieser Einheiten variieren je nach dem Brennstoffzellentyp und deren Größe. Die Grundprinzipien sind jedoch ähnlich gelagert, und das Ziel ist stets die Optimierung von Effizienz, Haltbarkeit und Gesamtleistung.
Der Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen
Wasserstoff-Brennstoffzellen kommen mittlerweile in zahlreichen Technologien zum Einsatz. Hier folgen einige Beispiele:
Brennstoffzelle im Auto
In einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCV - engl. fuel cell vehicle) ist die Brennstoffzelle die hauptsächliche oder einzige Energiequelle für den Antrieb des Fahrzeugs. Dabei wird der Wasserstoff-Brennstoff durch eine elektrochemische Reaktion in Elektrizität umgewandelt.
Das Fahrzeug speichert dabei komprimiertes Wasserstoffgas in einem Hochdrucktank. Dieses Gas wird in die Anode (negative Elektrode) der Brennstoffzelle eingespeist. An der Anode bilden sich Wasserstoffmoleküle und die Elektronen werden durch einen externen Stromkreis weiter zur Kathode geleitet. Dadurch entsteht elektrischer Strom, der den Elektromotor des Fahrzeugs antreibt.
Als Nebenprodukte aus der Kathodenreaktion entstehen Wasser und Wärme. Das Wasser wird häufig als Dampf oder Flüssigkeit abgegeben, während die Wärme zum Wärmemanagement des Brennstoffzellensystems beiträgt.
Einige Fahrzeuge mit Brennstoffzellen verfügen bereits über regenerative Bremsen. Bei diesen Modellen fungiert der Elektromotor beim Bremsen als Generator und wandelt die kinetische Energie wieder in Elektrizität um. Diese wird dann zur späteren Verwendung in einer Batterie gespeichert.
Wasserstoff im Zug
Wasserstoff-Brennstoffzellen in Zügen funktionieren nach den gleichen Prinzipien wie in Fahrzeugen. Auch hier wird Wasserstoff als Brennstoff genutzt, um durch elektrochemische Prozesse Strom zu generieren.
Der Zug besitzt dabei spezielle Tanks mit Wasserstoffgas für die Brennstoffzelle. Der Wasserstoff wird hier durch verschiedene Methoden hergestellt, z. B. durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energiequellen oder durch die Reformierung von Erdgas.
Der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom treibt dann die Zugräder über elektrische Traktionsmotoren an. Auch hier kann, wie bei den Kraftfahrzeugen, die Energie für regenerative Bremsen verwendet werden.
Züge mit Wasserstoff-Brennstoffzellen gelten als umweltfreundlich, da sie keine Emissionen verursachen und im Vergleich zu den herkömmlichen Diesellokomotiven auch deutlich effizienter, zuverlässiger und kostengünstiger sind.
Wasserstoff-Brennstoffzelle in der Heizung
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle findet sich auch in Heizgeräten und funktioniert nach den gleichen Prinzipien wie in einem Fahrzeug oder Zug. Auch hier wandelt die Brennstoffzelle Wasserstoffgas durch den elektrochemischen Prozess in Strom um. Die dabei entstehende Wärme wird dann für die Wasserstoff-Heizung eingesetzt.
Das Heizgerät ist hierbei mit einer Wasserstoffquelle ausgestattet, die aus gespeicherten Wasserstofftanks oder einer externen Quelle kommen kann. Die erzeugte Energie wird zum Antrieb eines elektrischen Heizelements genutzt und erzeugt dann Wärme, die zur Raumheizung verteilt oder für andere Anwendungen genutzt wird.
Der Einsatz einer Brennstoffzelle in einer Wasserstoffheizung erzeugt ebenfalls Strom und Wärme mit einer geringen Umweltbelastung, da die einzigen Nebenprodukte Wasser und Wärme sind. Damit stellt sie eine saubere und effiziente Energielösung für Heizzwecke dar.
Der Nutzen von Wasserstoff-Brennstoffzellen in der Industrie
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind in der internationalen Industrie in vielfältigen Branchen und Anwendungen verbreitet und bieten saubere und effiziente Energielösungen für viele Prozesse. Zu den häufigsten Anwendungen gehören dabei:
- Materialtransport-Ausrüstung: Gabelstapler und Lagerfahrzeuge werden bereits mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben. Diese Brennstoffzellen bieten im Vergleich zu herkömmlichen Batterien eine längere Laufzeit und ein schnelleres Betanken und sie eignen sich besser für zeitaufwändige Industrieeinsätze.
- Back-up-Stromversorgungssysteme: Hierbei werden Wasserstoff-Brennstoffzellen als Notstromsysteme für kritische Einrichtungen wie Rechenzentren, Telekommunikationspunkte und Notfalldienste eingesetzt. Sie bieten zudem eine zuverlässige und kontinuierliche Stromquelle bei Netzausfällen.
- Fernstromerzeugung: Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen werden dabei an abgelegenen oder netzunabhängigen Industriestandorten eingesetzt, wo eine zuverlässige Stromquelle benötigt wird. Sie sind eine saubere und nachhaltige Alternative zu Dieselgeneratoren.
- Transportwesen: Industriezweige mit Fahrzeugflotten wie Lieferwagen oder Servicefahrzeugen nutzen die Wasserstoff-Brennstoffzellen zum Antrieb emissionsfreier Fahrzeuge. Das reduziert die Umweltauswirkungen des Transports innerhalb von Industriebetrieben deutlich.
- Chemische und petrochemische Prozesse: Industrielle Branchen, die chemische und petrochemische Prozesse einsetzen, nutzen Wasserstoff-Brennstoffzellen für die Wasserstoffproduktion vor Ort. Dieser wird dann als Ausgangsstoff für weitere chemische Reaktionen genutzt.
- Wasserversorgung: Wasserstoff-Brennstoffzellen werden in entfernten oder netzunabhängigen Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt und bieten eine nachhaltige und zuverlässige Energiequelle für Wasseraufbereitungsprozesse.
- Bergbau: In abgelegenen Bergbau-Betrieben dienen Wasserstoff-Brennstoffzellen als netzunabhängige Stromquelle und versorgen die Geräte mit Strom, ohne dass ein zentrales Stromnetz erforderlich ist.
Energieeffizienz aus Wasserstoff-Brennstoffzellen
Die Energieeffizienz von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist ein wichtiger Faktor bei der Beurteilung ihres Faktors als saubere Energietechnologie. Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle wird in der Regel anhand des Verhältnisses der abgegebenen nutzbaren elektrischen Energie zum Energieinhalt des zugeführten Brennstoffs gemessen. Dabei werden folgende Effizienzen unterschieden:
- Well-to-Wheel-Effizienz: Der gesamte Wirkungsgrad einer Wasserstoff-Brennstoffzelle umfasst nicht nur den Wirkungsgrad der Zelle selbst, sondern auch den der Wasserstoffproduktion, -verteilung und -speicherung. Dies wird als „Well-to-Wheel“-Effizienz bezeichnet. Die Methode der Wasserstofferzeugung und die verwendeten Energiequellen spielen eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der Gesamteffizienz.
- Brennstoffzellen-Effizienz: Verschiedene Arten von Brennstoffzellen, z. B. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) oder Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) weisen meistens unterschiedliche Wirkungsgrade auf. Üblicherweise erzielen Brennstoffzellen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen auf Verbrennungsbasis höhere Wirkungsgrade.
- Verteilungs- und Speichereffizienz: Auch die Effizienz der Verteilungs- und Speichersysteme für den Wasserstoff beeinflusst die Gesamteffizienz. Durch die Kompression, Verflüssigung und den Transport von Wasserstoff können Energieverluste entstehen.
- Wärmerückgewinnung (Kraft-Wärme-Kopplung – KWK): Viele Anwendungen von Wasserstoff-Brennstoffzellen, insbesondere in Kraft-Wärme-Kopplungssystemen (KWK), verwenden die bei der elektrochemischen Reaktion entstehende Abwärme. Dies erhöht die Gesamteffizienz, weil sowohl Strom als auch nutzbare Wärme für Heizanwendungen produziert werden.
Der Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen in der Industrie belegt den angestrebten Übergang zu sauberen und nachhaltigeren Energielösungen, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und die Auswirkungen auf die Umwelt minimieren. Mit dem technologischen Fortschritt und der Weiterentwicklung der Infrastruktur wird erwartet, dass die industriellen Anwendungen von Wasserstoff-Brennstoffzellen deutlich zunehmen werden. Sehen Sie sich die Produkte und Lösungen an, die RS für Wasserstoff-Brennstoffzellen bereitstellt.
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Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Die Integration erfordert Anpassungen in der Infrastruktur und eine effektive Abstimmung mit bestehenden Energiequellen. Smarte Energiesysteme und Netzwerke spielen eine Schlüsselrolle.
Verschiedene Speichertechnologien, wie Drucktanks und chemische Speicher, werden erforscht. Fortschritte in der Speichertechnologie sind entscheidend, um Wasserstoff effizient und sicher lagern zu können.
Gängige Arten sind PEM (Proton Exchange Membrane), AFC (Alkaline Fuel Cell), SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) und mehr. PEM-Brennstoffzellen sind für Unternehmen aufgrund ihrer Effizienz und Anpassungsfähigkeit oft relevant.
- Wasserstoff und Sauerstoff werden an den Elektroden der Brennstoffzelle zugeführt.
- Durch elektrochemische Reaktionen wird Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten.
- Die Elektronen durchlaufen einen externen Stromkreislauf, erzeugen dabei elektrische Energie.
- Die Protonen wandern durch eine ionendurchlässige Membran zur Sauerstoffseite, wo sie mit Elektronen und Sauerstoff reagieren, um Wasser zu bilden.
- Dekarbonisierung: Wasserstoff-Brennstoffzellen tragen zur Dekarbonisierung des Energiesektors bei, da sie eine emissionsfreie Energieerzeugung ermöglichen.
- Integration erneuerbarer Energien: Die Technologie ermöglicht die Speicherung und Nutzung von überschüssiger Energie aus erneuerbaren Quellen.
- Flexibilität: Brennstoffzellen bieten eine flexible Lösung, um Energiebedarfsschwankungen auszugleichen, insbesondere wenn erneuerbare Energien nicht verfügbar sind.
- Kosten: Die Herstellung von Brennstoffzellen ist aktuell noch kostspielig. Technologische Fortschritte und steigende Produktionsmengen könnten jedoch die Kosten senken.
- Wasserstoffinfrastruktur: Es besteht Bedarf an einem Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur, um eine flächendeckende Verfügbarkeit zu gewährleisten.
- Haltbarkeit: Die Haltbarkeit der Brennstoffzellenkomponenten ist eine Herausforderung, die fortlaufende Forschung erfordert.
