Anwendungsfelder für Brennstoffzellen

Als eine neue Technologie für die zukünftige Energieversorgung wird die Brennstoffzelle angesehen. Mögliche Anwendungsfelder für Brennstoffzellen-Aggregate sind energieautarke Systeme, Fahrzeugantrieb, mobile Anwendungen und stationäre Anwendungen.

Energieautarke Systeme

Brennstoffzellen in U-Boot

Die Anwendungsfelder der Alkalische Brennstoffzelle (AFC) liegen vor allem im Bereich der autarken Systeme, wo die Brennstoffeffizienz von entscheidender Bedeutung ist. Hierzu gehören z. B. Unterwasser-Anwendungen und die Raumfahrt.
AFC verwenden konzentrierte Kalilauge und können in einem weiten Temperaturbereich von 20°C bis 90°C betrieben werden. Die alkalische Brennstoffzelle besitzt den höchsten Wirkungsgrad aller derzeit bekannten Brennstoffzellen. Bei einer Stromdichte von 500 mA/cm2 konnten im Labor Zellspannungen von 910 mV realisiert (PEMFC ca. 800 mV, PAFC und DMFC unter 400 mV). Für ihren Betrieb sind allerdings reiner Wasserstoff und Sauerstoff erforderlich. Grundsätzlich eignet sich die Alkalische Brennstoffzelle im Leistungsbereich bis 100 kWel. In neuen U-Boot-Klassen werden bereits Polymermembran-Brenntsoffzellen (PEMFC) eingebaut.

PEMFC für ein U-Boot-Antrieb
 

Fahrzeugantrieb

New Electric Car 5

Im Individualverkehr-Bereich stellt das brennstoffzellenbetriebene Elektroauto eine interessante Alternative dar, an der weltweit von verschiedenen Kraftfahrzeugherstellern intensiv und mit hohem Investitionsaufwand gearbeitet wird. Der Fahrzeugantrieb wird derzeit als das wichtigste potentielle Anwendungsfeld der Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) angesehen, die aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und ihres großen Kostensenkungspotenzials favorisiert wird.
Als Energieträger wird dabei reiner Wasserstoff oder Methanol eingesetzt. Der im November 2000 vorgestellte New Electric CAR (NECAR 5) vom Unternehmen DaimlerChrysler nutzt Methanol und wandelt dieses mittels Reformer in Wasserstoff um.
Eine erfolgversprechende Variante der PEMFC im Fahrzeug-Bereich stellt die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) dar. Diese Brennstoffzelle ermöglicht die direkte Umsetzung von Alkohol. Die Entwicklung der DMFC befindet sich noch überwiegend im Laborstatus und bedarf noch einer immensen Kostensenkung. Die dabei erzielte Leistungsdichte entspricht etwa der Hälfte einer wasserstoffbetriebenen PEMFC.
Grundsätzlich ist mit einer Einführung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen erst in der zweiten Hälfte der Dekade zu rechnen. Im Bereich des öffentlichen Personennahverkehrs könnte dies bereits zu einem früheren Zeitpunkt realisiert werden. So wurde vor kurzem ein Projekt mit einer Demonstrationsflotte von 30 Brennstoffzellen-Busse in verschiedenen europäischen Städten (u. a. Stuttgart und Hamburg) gestartet.

Mobile Anwendungen

Brennstoffzellen für mobile Anwendungen (hier: Laptop)

Die Energieversorgung von Camcordern, Handys sowie Laptop-Computern stellt ein gewaltigen Markt dar, der heute hauptsächlich von wiederaufladbaren Batterien bedient wird. Verschiedene Firmen entwickeln kleine Brennstoffzellensysteme, welche die konventionellen Batterien ersetzen und im Hinblick auf die Kapazität sogar weit übertreffen sollen.
Im Gegensatz zu den anderen Anwendungsgebieten sind die spezifischen Kosten für die konventionellen Konkurrenzsysteme (Batterien) zur Brennstoffzellen-Technologie sehr hoch und erreichen bis zu 5.000 €/kWel. Die Entwicklung von Brenstoffzellen für die Energieerzeugung tragbarer Geräte ist das jüngste Arbeitsgebiet der Brennstoffzellentechnologie. Die größten Herausforderungen bei der mobilen Anwendung von Brennstoffzellen bestehen in der Miniaturisierung der Systemkomponenten, der Herstellung einer Brennstoffzelle, welche bei Umgebungstemperatur eine ausreichende Leistungsdichte und einen guten Wirkungsgrad aufweist sowie in der kompakten Speicherung des benötigten Wasserstoffs.
Der große Vorteil bei einer Markteinführung eines mobilen Brennstoffzellensystems liegt in der Tatsache begründet, dass einerseits hohe Stückzahlen (Mobiltelefone, Laptops, etc.) benötigt werden und andererseits diese Produkte einen kurzen Produktlebenszyklus von 2-4 Jahre aufweisen. Dadurch wird eine Marktdurchdringung schnell gewährleistet. Außerdem hat das Beispiel der Li-Ionen-Batterie gezeigt, dass Kunden sehr wohl bereits sind, für einen langlebigeren und hochwertigen Akkumulator zusätzlich Geld zu investieren

Stationäre Anwendungen

Hot Modul in der Montage

Der in Bezug auf die installierbare Leistung größte Einsatzbereich für die Brennstoffzelle stellen die stationären Anwendungen dar. Hierbei weisen Brennstoffzellen gegenüber konventionellen Systemen Vorteile hinsichtlich des elektrischen Systemwirkungsgrad auf, welcher auch im Teillastbetrieb erhalten bleibt. Aufgrund der modularen Aufbauweise sind Brennstoffzellen sehr flexibel in Bezug auf die angebotenen Leistungsgrößen. Ein weiterer großer Vorteil sind die geringen Emissionen, insbesondere hinsichtlich der Stickoxid- und Kohlenmonoxid-Emissionen.
Im stationären Bereich unterscheidet man die Niedertemperatur-Brennstoffzellen (PEMFC, PAFC), welche einen externen Reformer benötigen, um z. B. mit Erdgas betrieben zu werden, sowie die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (MCFC, SOFC), welche aufgrund der hohen Temperaturen auch kohlenstoffhaltige Energieträger direkt nutzen können. Da diese Brennstoffzellensysteme ideal für eine dezentrale Energieversorgung mittels Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden können, wird das BHKW-Infozentrum weitere Berichte über den technischen Stand und die Entwicklung der verschiedenen stationären Brennstoffzellen-BHKW-Systeme in dieser Rubrik veröffentlichen.

 

Markus Gailfuß, BHKW-Infozentrum Rastatt

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