Solarwissen: Energielexikon / Glossar

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Energielexikon / Glossar

Brennstoffzellen (stationär)

Eine Sonderform der Blockheizkraftwerke (BHKW) sind neuartige Brennstoffzellen. Seit vier Jahren etwa bietet der Haustechnikmarkt solche kleinen Kraftpakete an. Sie geben zwischen 800 W und 5 kW elektrischer Nennleistung ab. Die thermische Abwärme liegt zwischen einigen kW und mehr als 25 kW. Einige Brennstoffzellen werden mit Gasthermen im Kompaktgerät kombiniert, um sie speziell für die Bestandssanierung aufzurüsten. Dann spricht man vom Brennstoffzellen-Heizgerät.

Gesetzt, dass elektrischer Strom künftig auch die Wärme im Haus bereitstellt und das E-Auto betankt, haben rein stromgeführte Brennstoffzellen mit möglichst wenig Abwärme die besten Aussichten auf einen Massenmarkt. Diese stationären Brennstoffzellen sind viel einfacher und kompakter aufgebaut als die klassischen BHKW, zudem kommen sie ohne rotierende oder heiße Teile aus.

Die Technik der Brennstoffzellen ist ausgereift und hat sich in Millionen Betriebsstunden bewährt. Stationäre Brennstoffzellen nutzen Katalysatoren, um Wasserstoff und Sauerstoff auf kaltem Wege (ohne Verbrennung von Knallgas) zu verbinden. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die als Gleichstrom nutzbar sind. Das Herz eines solchen Aggregats besteht aus Zellen, in denen die katalytische Reaktion abläuft. Die Summe mehrerer Zellen sind ein Stack, so wie mehrere Solarzellen oder Lithiumzellen in einer Speicherbatterie als Solarmodul oder Batteriemodul bezeichnet werden.

Solche Generatoren lassen sich perfekt mit Photovoltaik kombinieren. Als Brennstoff im Stack wird Erdgas oder Wasserstoff genutzt. Erdgas ist vielerorts über die Gasnetze vorhanden. In einem Reformer wird das Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt. Andere Brennstoffzellen arbeiten direkt mit Wasserstoff, ohne Vorstufe über Erdgas. Solche Systeme für die Haustechnik sind seit 2018 auf dem Markt. Der Wasserstoff wird im Sommer erzeugt, indem überschüssiger Solarstrom Wasser in seine Bestandteile zerlegt. In einem Gastank ähnlich dem Flüssiggas wird der Wasserstoff für die Nacht oder den Winter vorgehalten.

Sinnvoll ist es, Photovoltaikanlage und Brennstoffzellen über eine Speicherbatterie zu verschalten. Sie übernimmt den Nachtstrom des Gebäudes. Die Brennstoffzelle springt erst ein, wenn der Solarstrom vom Dach nicht mehr ausreicht, um die Batterie am Tag neu zu füllen.

Zwei Technologien dominieren den Markt: 

Bei der Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) besteht der Elektrolyt im Stack aus einer hauchfeinen Keramikschicht, die Sauerstoffionen leiten kann, aber Elektronen sperrt. Die SOFC brauchen Betriebstemperaturen von 650 bis 1000 °C. Das bedeutet, sie geben relativ hohe Temperaturen ab. Und sie brauchen eine gewisse Zeit, um auf Betriebstemperatur zu kommen. Also sollten sie möglichst durchgängig laufen.

Dagegen arbeiten die Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane, PEM) mit Kunststoffmembranen (Ionomer), die für Protonen (Wasserstoffionen) durchlässig, für Gase (Sauerstoff) jedoch gesperrt sind. Sie brauchen nur rund 80 °C als Betriebstemperatur, sind demnach besser für den Start-Stopp-Betrieb geeignet.

Die Brennstoffzelle unterliegt den Anschlussvorschriften von elektrischer Betriebstechnik in der Niederspannung, wie die motorbetriebenen BHKW, die Photovoltaikanlagen und die Stromspeicher. Deshalb öffnet sich für Elektrohandwerks- und Solarteurbetriebe ein neues Standbein, um die komplette Vollversorgung durch die Haustechnik anzubieten.

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