Moderne Heiztechnik

Brennstoffzellen-Technologie revolutioniert die Haustechnik

Die Brennstoffzellen-Technologie (BZ-Technologie) gilt seit vielen Jahren als ein Hoffnungsträger bei der Entwicklung alternativer Energieformen. Nach einer anfänglichen Begeisterung haben die Entwicklungsprogramme zunächst jedoch ständig Rückschläge erlitten. Das scheint nun überwunden zu sein. Die BZ-Technologie hält zunehmend in den unterschiedlichsten Branchen und Wirtschaftszweigen Einzug. So rüsten und liefern z.B. verschiedene Automobilhersteller wasserstoffgetriebene City-Busse für Verkehrsbetriebe zahlreicher Kommunen aus, ebenso kommen vermehrt PWs mit BZ-Antrieb auf den Markt. Auch die Gebäudetechnik (Heiungsbranche) findet Gefallen an der Nutzung der Technologie, weil sie gravierende Vorteile zu herkömmlichen Systemen bietet. Die in Winterthur ansässige Hexis AG gilt als hier als Pionier und Marktführer.

MAN City-Bus mit BZ-Antriebsaggregat

Ein STILL-Stapler mit Brennstoffzellenantrieb.

Brennstoffzellen sind keine neue Erfindung. Schon die Apollo-Raumfähren der sechziger Jahre des letzten Jahrhunderts hatten einige der kleinen Kraftpakete an Bord. Und bei den olympischen Spielen 2000 in Sydney schickte General Motors ein Elektroauto als Begleitfahrzeug auf die Marathonstrecke, in dem Brennstoffzellen den Strom lieferten. Doch erst jetzt - 2014 - kommen sowohl Autobauer als auch andere Technologienutzer mit grösseren Stückzahlen auf den Markt. Die weltweiten Kampagnen zur CO₂- und Feinstaub-Reduktion fördern den Einsatz umweltfreundlichere Energiesysteme.

BZ-Automobile als echte Alternative

 Alle Automobilhersteller sehen im Wasserstoff ein dementsprechend hohes Potenzial als Energieträger der nächsten Generation. Die Gründe dafür liegen auf der Hand: Wasserstoff lässt sich durch den Einsatz unterschiedlicher Energiequellen herstellen und erzeugt bei der Nutzung kaum Umweltschadstoffe.

 Mit ihrer B-Klasse F-CELL präsentierte Mercedes Benz bereits 2009 ein voll alltagstaugliches Fahrzeug und gab mit dem Forschungsfahrzeug F 125! einen Ausblick auf die zukünftige Mobilität mit Brennstoffzelle. Auf dieser Basis wird seitdem das erste Brennstoffzellen-Serienfahrzeug des Unternehmens entwickelt.

 Auch die asiatischen Autohersteller sind schon lange auf die Brennstoffzellen-Technologieschiene aufgesprungen. So wird Hyundai demnächst ein BZ-Auto in Kleinserie herausbringen, ebenso der japanische Hersteller Toyota, der seine Hybrid-

Modellpalette im 2015 um ein Fahrzeug mit Brennstoffzellen erweitert. Der japanische Autohersteller Honda enthüllte und längst das Konzept eines vollständig neuen Brennstoffzellen-Fahrzeugs, das über eine Leistung von über 100 kW verfügt und dank einem 70 MPa Hochdruck-Wasserstofftank eine Reichweite von rund 700 km ermöglicht. Der Tank lässt sich in weniger als 3 Minuten füllen und bietet somit dieselben Vorteile wie die heutigen Fahrzeuge mit

Mercedes-Benz B-Klasse F-CELL

Brennstoffzellen-Antrieb bei einem Honda-Fahrzeug

konventionellem Verbrennungsmotor-Antrieb. Mit dieser BZ-Antriebsgeneration bietet Honda das weltweit erste Wasserstofffahrzeug an, bei dem die gesamte Antriebseinheit inklusiv BZ-Paket unter der Haube einer Limousine Platz findet. Zudem verfügt das Fahrzeug über das Honda Power Exporter Concept, dank dem das Fahrzeug auch als Generator bis zu 9 kW Wechselstrom in das Stromnetz einspeisen kann.

 Brennstoffzellen als Stromerzeuger

 Eine Brennstoffzelle ist gemäss technischer Zuordnung ein Wandler, verfahrenstechnisch aber eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffs (Sauerstoff, Methanol, Ethanol, div. Gase usw.) und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt.

 Eine einfache Brennstoffzelle wurde bereits 1838 vom deutsch-schweizerischen Chemiker und Physiker Christian Friedrich Schönbein entwickelt, indem er zwei Platindrähte in Salzsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten dann eine elektrische Spannung bemerkte. Dieses physikalische Phänomen veröffentliche er. Doch die Entdeckung/Erfindung der “galvanischen Gasbatterie“, wie die Brennstoffzelle vom grossen Elektrizitätspionier Werner von Siemens bezeichnet wurde, geriet infolge anderer Strommaschinen-Entwicklungen zunächst in Vergessenheit. Die Dynamomaschine war in Verbindung mit der Dampfmaschine bezüglich der Stromerzeugung viel einfacher und unkomplizierter umzusetzen und wurde daher zu dieser Zeit der komplexen Brennstoffzelle vorgezogen.

 Elektrischen Strom aus chemischer Energie durch exotherme Verbrennung (Redoxreaktion) in thermische Energie und dann in mechanische Arbeit umzuwandeln – als Wärmekraftmaschine bezeichnet – ist wesentlich komplizierter und aufwendiger. Allerdings ist eine Brennstoffzelle jedoch geeignet, die Umformung direkt, also ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft, zu erreichen, womit sie potenziell effizienter ist.

 Die chemische Energie der Stoffe ist die einzige dauerhaft gespeicherte Energie und beruht auf Bindungen der Moleküle und Atome. Beim Lösen der Bindungen wird Energie frei. Das bildet die Basis der Brennstoffzelle. Bei der  Reaktion wird also entweder Energie verbraucht (endotherme Reaktion) oder setzt Energie frei (exotherme Reaktion), wie es bei der BZ der Fall ist.

 Brennstoffzellentypen

 Im allgemeinen Sprachgebrauch steht die Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Doch heute werden verschiedenen Brennstoffzellen-Typen unterschieden. Zu den bekanntesten zählen:

-       die alkalische Brennstoffzelle (AFC),

-       die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC),

-       die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC),

-       die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC),

-       die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC),

-       die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC),

-       die Magnesium-Luft-Brennstoffzelle (MAFC).

 Brennstoffzellen sind als Energielieferant leichter als Akkumulatoren sowie zuverlässiger und leiser als Generatoren (Stromerzeuger). Die geringen Ge-räuschemissionen und die Möglichkeit, Brennstoffzellen nach sehr langer Inaktivität zuverlässig zu betreiben, trugen anfangs verschiedentlich zur militärischen Nutzung bei, im Wesentlichen im Einsatz in Notstromversorgungen. Die besondere Stärke von BZ ist die hohe Energiedichte, womit sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technik erklärt.

 In der Brennstoffzellen-Technologie wurden bis heute wesentliche Fortschritte bei der Entwicklung kommerziell nutzbarer Produktkonzepte erzielt. In Kombination mit einem Reformer wandelt z.B. ein Stackmodul (Stapel aus keramischen Zellen und metallischen Interkonnektoren) diverse Energieträger wie Diesel, Erdgas oder Bioethanol mit hohem Wirkungsgrad und weitgehend emissionsfrei in elektrische Energie um.

 Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) kann mit Synthexgas, wie z.B. aufbereitetes Erdgas, betrieben werden und lässt sich damit zur Strom- und Wärmeversorgung – beispielsweise in Einfamilienhäusern – heranziehen, da hier hohe elektrische Wirkungsgrade bei geringsten Geräuschemissionen gefordert sind. Aufgrund des hohen Temperaturniveaus kann zudem eine einfache Wärmeauskopplung zur weiteren Nutzung – beispielsweise zur Warmwasserbereitung – stattfinden.

Komplettes Aggregat der BZ-Heizung "GALILEO" von Hexis

Die Revolution im Heizungskeller

 Wir schalten die Heizung ein – den Ofen, die Gas-, Öl- oder ein anderes Zentralheizungssystem – wenn uns kalt ist. Dieses bewährte Prinzip hat jetzt durch BZ-Heizgeräte interessanter geworden, weil diese im Gegensatz zu den herkömmlichen Heizsystemen ohne oxydative Verbrennung auskommen, wohl aber einen kleinen Zusatzbrenner benötigen.

 Verschiedene Hersteller entwickeln und produzieren heute hocheffiziente Heizungs- bzw. Energiesysteme mit modernster BZ-Technologie. Einige Unternehmen konzentrieren sich dabei auf erdgasbetriebene Kraft-Wärme-Kopplungssysteme, Nach mehrjähriger Entwicklungszeit hat dieses BZ-Energiesystem die Markteinführung erfolgreich gestartet.

 Richtig interessant in der Haustechnik sind die Brennstoffzellen aber erst mit  einen anderen, primären Effekt: Bei der Reaktion entsteht neben der Wärme zusätzlich elektrischer Strom. Die Zellen wandeln bis zu 60 Prozent der im Erdgas enthaltenen Energie in Elektrizität um. Verglichen mit der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme stossen die Anlagen dabei nur halb so viel Kohlendioxid (CO₂) aus.

 Die Idee einer Heizung auf der Grundlage von keramischen Brennstoffzellen (SOFC-Technologie) reicht über zwei Jahrzehnte zurück. Seit 1991 wurde die Technologie in der Schweiz unter dem Dach der Sulzer AG erforscht und 1997/ 1998 ein erster praxisnaher Prototyp des Brennstoffzellen-Systems gebaut. 2006 ging aus diesem Entwicklungsprogramm die Hexis AG, Winterthur, als eigenständiges Unternehmen hervor. Gleichzeitig präsentierte Hexis eine Weiterentwicklung der neu entwickelten Heizanlage. Der Brennstoff wird in der Heizsystem-Weiterentwicklung jetzt mittels partieller Oxidation statt per Dampfreformierung aufbereitet, der Interkonnektor aus einer statt zwei Platten gefertigt. Seither hat Hexis nebst ihren modernen Serieprodukten viele Pilotanlagen hergestellt und unterzieht weiterhin Langzeittests, um neue Materialien zu prüfen, damit weitere Leistungssteigerungen erbracht werden können.

 Für den Elektrolyten der Hexis-Geräte werden keramische Folien aus Zirkoniumdioxid verwendet. Das  Verhalten der Materialien bei Temperaturen von etwa 800 °C, wie sie in einer BZ herrschen, ist ein wesentliches Qualitätsmerkmal.

 So funktioniert eine BZ-Heizung

 Das Herzstück einer BZ-Heizung ist das BZ-Modul. Dieses Modul besteht im Fall der Hexis-Heizung «Galileo» aus etwa 60 scheibenförmigen, übereinander gestapelten Brennstoffzellen von der Grösse einer Compact Disk. Das gesamte Brennstoffzellen-Paket wird als BZ-Modul verwendet. Jede dieser einzelnen BZ besteht aus einem Ionen (allerdings nicht Elektronen) leitenden Trägermaterial (Elektrolyt), das beidseitig mit einem elektrisch normal leitenden Material beschichtet ist (Anode und Kathode). Zwei der Zellen trennt jeweils ein – ebenfalls CD-grosses – metallisches Verbindungsstück (Interkonnektor). Das zylinderförmige BZ-Modul ist innen mit einem Strömungsprofil ausgestattet, sodass ein Gas auf geeignetem Weg durchströmt werden kann.

Funktion einer Brennstoffzelle

 Zum Betrieb des BZ-Moduls wird ein Gemisch aus entschwefeltem Erdgas und vorgewärmter Luft verwendet, das von einem Katalysator in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt wird. Durchströmt dieses Gemisch das Modul, läuft eine elektrochemische Reaktion ab. Dabei wird das Erdgas ohne Verbrennung in Strom und Wärme umgewandelt. Die im Gas gespeicherte Energie wird zu ca. 60 % in Wärme und zu rund 35 % in Strom umgewandelt; die im Gas enthaltene Energie wird also mit einem Gesamtwirkungsgrad von 95 % ausgenutzt. Bei dem Prozess entsteht jedoch kein Feinstaub, wie bei Feuerungen üblich, wohl aber das Treibhausgas CO₂

 Der erzeugte Gleichstrom wird bei «Galileo» über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und steht als 230-Volt-Wechselstrom für die Anwendung im Haushalt zur Verfügung. Die Wärmeenergie wird aus dem 550 °C warmen Abgas über einen Wärmetauscher in Heizwasser bis maximal 80 °C umgesetzt und für die Warmwassererwärmung und die Raumheizung verwendet. Die Output-Leistungen der Hexis Brennstoffzellen-Heizung «Galileo 1000 N»: Brennstoffzellen-Modul (BZ-Modul): 1 kW_el Strom plus 1,8 kW_th Wärme. Der Zusatzbrenner leistet 7,5 – 19,0 kW_th.

 Zukunftsaussichten

 Der grosse Schriftsteller Jules Verne hörte von der Brennstoffzelle und schrieb 1870 dazu: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt wird. Die so zerlegten Elemente des Wassers, in Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hin-aus die Energieversorgung der Erde sichern.“

 Der Strom, den die BZ nebst der Wärme erzeugen, kann die Mehrkosten bei den aktuellen Preisen (noch) nicht wettmachen. Speist man die „überschüssige Energie“ ins öffentliche Stromnetz, erhält man dafür gerade einmal nur einen Teil der Kosten der Kilowattstunde. Deshalb legt ein Hersteller seine Anlagen nicht primär auf den Wärme-, sondern auf den Strombedarf der Gebäude aus - die Geräte werden dann zum Kellerkraftwerk, das nebenbei noch Wärme erzeugt.

 Die BZ hat jedoch Zukunft! Umweltfreundlichkeit und Betriebskosten einerseits und die noch stets steigenden Stromkosten sowie der Wandel hin zu alternativer Stromerzeugung – Solartechnik, Windkraft und auch Brennstoffzellen – werden dazu einen wichtigen Beitrag leisten. Das sieht auch Beda Hutter aus Goldach/Schweiz so, der seit drei Jahren in einer Gewerbe- und Wohn-Lie-genschaft eine BZ-Heizung von Hexis betreibt. „Die Betriebskosten sind wirklich sehr moderat, die Umtriebe und der Nutzungsaufwand der Heizung sehr minimal, zudem äusserst komfortabel. Und ich leiste als umweltbewusster Mensch einen sichtbaren und spürbaren Beitrag.“ Der stets zukunftsgerichtete, erfolgreiche Unternehmer aus Goldach weiss, was er sagt. Deshalb empfiehlt er allen neuen Heizungssuchenden sich intensiv mit dieser BZ-Technologie auseinanderzusetzen.

 BZ-Anlagen à la Hexis-Konzept bringen mit hoher Effizienz das Prinzip modernster Gaskraftwerke in den Heizungskeller. Doch das Strom-Wärme-Doppel hat seinen Preis: Heizungsnutzer der BZ-Technologie müssen derzeit noch erheblich mehr investieren wie für eine Gasbrenner-Zentralheizung. Die Kosten von BZ-Heizgeräten werden jedoch sinken, wenn die Hersteller sie in grösseren Stückzahlen produzieren. Doch an gegenwärtigen Mehrkosten sollten sich allfällige Heizungsnutzer primär (noch) nicht stören. Die Betrachtung der Gesamtbilanz und die Umwelt rechtfertigen nämlich schon heute einiges.

 Quellen:

HEXIS  AG, CH – 8404 Winterthur, www.hexis.ch

EMPA – Eidg. Materialprüfung und Forschungsanstalt, CH - 8600 Dübendorf

ELCORE GmbH, D – 81737 München, www.elcore.com

HONDA Motor Europe Ltd., CH - 1242 Satigny-Genève

ELRING KLINGER AG, D - 72581 Dettingen

SPIEGEL, www.spiegel.de/wissenschaft