Wasserstoff als Energiequelle

Lesedauer – ca. 6 Minuten – Der zweite Artikel unserer dreiteiligen Beitragsserie rund um das Thema Wasserstoff als Energieträger behandelt Möglichkeiten der Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle und die dafür erforderlichen Komponenten.

Wasserstoff, das häufigste chemische Element in unserem Universum, eignet sich sehr gut als saubere und effiziente Energiequelle. Anders als in einer Wärmekraftmaschine, in der durch Verbrennung chemische in mechanische Energie umgewandelt und daraus mittels Generator elektrische Energie erzeugt wird, kann Wasserstoff direkt elektrische Energie durch „kalte Verbrennung“ in einer Brennstoffzelle freisetzen. Dieser Wegfall von Zwischenschritten in der Umwandlung zeichnet sich durch einen deutlich höheren Wirkungsgrad des Gesamtsystems aus. Das Prinzip der „kalten Verbrennung“ ist bereits seit dem Jahr 1838 bekannt, als Christian Friedrich Schönbein die galvanische Gasbatterie, wie damals die Brennstoffzelle genannt wurde, entwickelte. Die Erfindung der Dynamomaschine, dem elektrischen Generator, durch Werner von Siemens sowie die komplexe Funktionsweise der Brennstoffzelle verhinderten aber deren damaligen Durchbruch. Neue technologische Errungenschaften in Bezug auf Katalysatoren-Material und Fertigungs-Knowhow in Kombination mit dem Ziel der Dekarbonisierung des Energiesektors rücken die Brennstoffzelle heute wieder in den Fokus.

Elektrische Energie aus Wasserstoff

Wie im Beitrag „Wasserstoff als Energiespeicher“ beschrieben, bietet Wasserstoff grundlegende Vorteile bei der Speicherung von Energie. Um die gespeicherte Energie im Wasserstoff dem Endanwender wieder zugänglich zu machen, bedarf es einer Umformung in einer Brennstoffzelle. Somit wird klar, dass die Brennstoffzelle kein Energiespeicher, sondern lediglich ein Energiewandler ist. Analog dem Aufbau einer Batterie besteht die Brennstoffzelle ebenfalls aus zwei, mit einem Katalysator beschichteten Elektroden, welche durch einen Ionenleiter, dem sogenannten Elektrolyten, voneinander getrennt sind. Die elektrische Energie liefert eine chemische Reaktion eines Brennstoffes, in diesem Fall molekularer Wasserstoff H₂, mit einem Oxidationsmittel, in der Regel molekularer Sauerstoff O₂, welche kontinuierlich über die Elektroden eingespeist werden müssen. Aufgrund der elektrochemischen Standardpotentiale der beteiligten Stoffe erreicht eine Brennstoffzelle eine maximale theoretische Spannung von 1,23VDC. Um die elektrische Energie in größerem Maßstab wirtschaftlich sinnvoll nutzen zu können, werden üblicherweise mehrere Brennstoffzellen in Reihe zu sogenannten Stacks verschaltet, welche unterschiedlichste Leistungen und Spannungen liefern können.

DC/DC-Wandler zur Regelung von Brennstoffzellen

Der derzeitige Hype um grünen Wasserstoff spiegelt sich auch in den Forschungsaktivitäten rund um die Brennstoffzelle wieder. Während hier der Fokus bisher auf materialspezifischen Problemen wie der Suche nach geeigneten Membranen oder Katalysatoren lag, spielen inzwischen das Systemverhalten sowie der optimale Betrieb der Brennstoffzelle eine tragende Rolle. Das Fenster, in dem eine Brennstoffzelle am effizientesten arbeitet ist äußerst klein, sodass hier eine Vielzahl an verschiedenen Systemparametern wie Gasmengen, Gaszusammensetzungen, Kühltemperaturen und Lastverhalten berücksichtigt werden müssen.

In der Regel werden Lasten nicht direkt aus Brennstoffzellen-Stacks versorgt, sondern werden aus zwischengeschalteten Batterien gespeist. Dies bietet neben einem deutlich einfacheren Regelverhalten auch den Vorteil, dass die Brennstoffzellensysteme kleiner dimensioniert werden können, da kurzeitige Überlastsituationen aus den Akkumulatoren gepuffert werden. Dabei transformiert ein DCDC-Wandler die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf die benötigte Ladespannung der Batterie.

Für die Einhaltung des optimalen Arbeitspunktes des Brennstoffzellensystems spielen DCDC-Wandler eine entscheidende Rolle. Anstatt die Stellgrößen der Brennstoffzelle laufend an die vorliegende Lastsituation anzupassen, können geeignete steuerbare DCDC-Wandler die Last an die momentan gegebenen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle anpassen. Mithilfe zusätzlicher externer Sense-Leitungen kann der DCDC-Wandler bei Bedarf relevante Betriebsparameter der Brennstoffzelle wie Temperatur, Feuchtegehalt der Zelle oder die Ausgangsspannung erfassen und darauf reagieren. Ebenfalls möglich ist eine Regelung des DCDC-Wandlers mittels einer übergeordneten Steuereinheit über ein Kommunikationsinterface.

Um den Stack mit Sauerstoff zu versorgen, ihn zu Kühlen und um Produktwasser aus den Zellen zu entfernen wird häufig ein Lüfter in das System integriert. Die Regelung des Lüfters nimmt Einfluss auf die Betriebstemperatur des Stacks sowie den Feuchtegehalt der Zelle. In einer zu trockenen Zelle sinkt der Wirkungsgrad aufgrund einer schlechten Leitfähigkeit. Wohingegen eine zu feuchte Zelle Kondenswasserbildung begünstigt, was den Transport der gasförmigen Reaktanden behindert. Die Versorgung eines solchen Lüfters mit zugehöriger Steuerungselektronik kann ebenfalls über einen, zusätzlich zum Leistungspfad vorhandenen, zweiten Ausgang des DC/DC-Wandlers erfolgen.

Wasserstoff als Energiequelle – Anwendungen

Wasserstoff eignet sich für zentrale, größer dimensionierte Kraftwerke im Megawatt-Bereich zur Versorgung von großen bzw. vielen Endverbrauchern oder zur Stabilisierung der Versorgungsnetze. Wasserstoff als Energiequelle eignet sich aber auch hervorragend in kleineren, dezentralen Anwendungen, wie zum Beispiel in der Mobilität oder im Eigenheim als Heizung. Eine Brennstoffzellenheizung bietet den eleganten Vorteil, je nach System eine ganzjährliche Autarkie zu erreichen. Dazu wird in den Sommermonaten überschüssiger Photovoltaikstrom für die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyseur verwendet. Dieser Wasserstoff liefert im Winter, bei wenig Photovoltaikstrom elektrische Energie. Zusätzlich kann die Abwärme der Brennstoffzelle zum Heizen der Gebäude genutzt werden.

Fazit

Wasserstoff als Energiespeicher und als Energiequelle bietet dank neuer Technologien und einem politischen und auch gesellschaftlichen Umdenken in Bezug auf Nachhaltigkeit hervorragende Möglichkeiten in verschiedensten Anwendungsfällen. Der Siegeszug der „kalten Verbrennung“ wird in den kommenden Jahren nicht mehr aufzuhalten sein.