Quelle: http://www.bigs.de
Den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle (BZ) veranschaulicht folgende Animation
Die wesentlichen Vorteile der Energieerzeugung durch BZ liegen in folgenden Eigenschaften begründet:
- Direkte Erzeugung von elektrischer Energie aus chemischer Energie (max. erreich-barer exergetischer Wirkungsgrad ) Dadurch sind keine weiteren verlustreichen Energieumwandlungen wie bei der Nutzung fossiler Rohstoffe notwendig, deren Ressourcen für andere Zwecke geschont werden können. Die Wasserstoffgewinnung aus regenerativen Energien (Solar-, Windenergie und Biomasse) und der Aufbau eines Wasserstoff-Versorgungsnetzes stellen hier einen Ausweg von der Abhängigkeit ver-knappter und immer teurer werdenden fossiler Energieträger wie Erdöl und Erdgas dar.
- Sehr geringe bzw. keine schädlichen Abgasemissionen (CO, HC, NOx und CO2).
- Gleichzeitige Nutzung von elektrischer und thermischer Energie nach dem Blockheiz-kraftwerk- oder Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzip mit hohen Gesamtwirkungsgraden von über 80 %. Möglichkeit der Zusammenschaltung von BZ-Heizgeräten zu dezentralen virtuellen Kraftwerken.
- Einfache, modulare Stack-Bauweise, die eine sehr schnelle Anpassung des Leistungs-bedarfs ermöglicht.
Die wesentlichen Nachteile der aktuellen BZ-Technologie können wie folgt zusammengefasst werden :
- Wasserstoff ist kein Primärenergieträger und muss z. Zt. noch mit relativ hohem Energie- und Kostenaufwand aus anderen Primärenenergieträgern (Erdgas, etc.) oder durch Elektrolyse mit elektrischer Energie gewonnen werden. Die dafür benötigte Energie ist dabei deutlich höher als bei der Herstellung anderer Sekundärenergieträger (Benzin, Diesel, etc.) bei einer deutlich geringeren Energiedichte von Wasserstoff (ca. 25 %) gegenüber konventionellen Kraftstoffen. Die Wasserstoffgewinnung aus regenerativen Energien ist z. Zt. noch relativ unwirtschaftlich; hier bedarf es noch intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit.
- Die Lagerung von Wasserstoff ist problematisch und nur mit relativ hohem Kosten- aufwand sicher durchzuführen. Die On-Board-Reformierung, d.h. die direkte Erzeu-gung von Wasserstoff aus anderen Energieträgern (Erdgas und Methanol) vor Ort wird deshalb in vielen Fällen favorisiert, was jedoch auch wieder zu Schadstoffemissionen führt.
- Die Kosten für wesentliche BZ-Bauelemente, wie die Membran, Elektrolyte und Katalysatormaterialien sind z. Zt. immer noch sehr hoch. Diese relativ hohen Anschaf-fungskosten lassen deshalb z. Zt. noch keinen wirtschaftlichen BZ-Betrieb zu.
- Probleme in der unzureichenden Lebensdauer und Funktionstüchtigkeit der Membran (Nafion), insbesondere durch den starken Abfall der Leistungskennlinie nach relativ kurzer Betriebsdauer (2000 – 3000 h).
- n vielen BZ-Anwendungen, wie z.B. BZ-Heizgeräten, wird z.Zt. nur ein elektrischer Wirkungsgrad von max. 40 % erreicht, dies liegt deutlich unter dem max. möglichen Wirkungsgrad von ca. 60 %.
- Probleme im Kaltstartverhalten bei Betriebstemperaturen unter 0°C insbesondere bei mobilen Anwendungen (BZ-Antrieb bei Pkw), verursacht durch die ständig erforder-liche Befeuchtung der Membran bei Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) – BZ.
Trotz dieser Nachteile stellt die BZ-Technologie die innovativste Art der Energieerzeugung dar, die insbesondere bei der Nutzung regenerativer Energien zur Wasserstofferzeugung eine Lösung für die bestehenden Probleme wie Treibhauseffekt und die Abhängigkeit von immer knapper und teurer werdenden Primärenergien anbietet. Island ist hier ein Vorreiter in der Wasserstoff-BZ-Technologie, das Land will bis zum Jahr 2030 seine gesamte Energie-Infra-struktur auf Wasserstoff umstellen und diesen überwiegend aus erneuerbaren Energien gewinnen. Eine Video-Dokumentation darüber ist beim Fachgebiet erhältlich