Saubere Energie im Hausgebrauch: Brennstoffzellen sind eine effektive Energiequelle, waren aber bisher zu komplex und zu teuer. Jetzt haben deutsche Forscher erstmals ein System entwickelt, das als Mini-Kraftwerk für Privathaushalte geeignet ist. Erste Prototypen dieser Brennstoffzellsyteme sind bereits in deutschen und europäischen Gebäuden im Praxistest.
Chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln – das ist die Stärke der Brennstoffzellen. Anstatt Treibstoff zu verbrennen, um einen Motor oder Generator anzutreiben, erzeugen die Zellen Strom direkt aus der Oxidation von Erdgas. Dadurch geht deutlich weniger Energie verloren als etwa bei Verbrennungsmotoren, der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen ist also viel höher. Bekannt ist dieses Prinzip bereits seit über 175 Jahren.
Eine einzelne Brennstoffzelle, etwa von der Größe einer DVD, erzeugt allerdings nicht genug Spannung, um von Nutzen zu sein. Daher werden mehrere Zellen in einem Stapel zu einem Brennstoffzellen-System zusammen geschaltet. Um sich tatsächlich als Energiequelle auf dem Markt durchzusetzen, waren solche Systeme bislang jedoch noch zu komplex.
Kalte Verbrennung mit 850 Grad
Wissenschaftler um Matthias Jahn vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Dresden wollen das ändern: Sie haben ein neues Brennstoffzellensystem entwickelt, das besonders auf Privathaushalte zugeschnitten ist. Das kompakte System wird wie ein Gasheizgerät an das Erdgasnetz angeschlossen und ist Heizgerät und Mini-Kraftwerk in einem: Zunächst wandelt ein sogenannter Reformer das Erdgas in ein wasserstoffreiches Gasgemisch um. Dieses reagiert in einer „kalten Verbrennung“ in den Brennstoffzellen mit dem Sauerstoff der Luft. Dabei entstehen elektrischer Strom und Wärme.
Ein einzelnes der Geräte erzeugt eine Leistung von einem Kilowatt und deckt damit etwa den Energiebedarf eines Vier-Personen-Haushalts. Der Strom wird direkt im Haus erzeugt, dadurch entstehen keine Verluste im Stromnetz. Der Erdgasverbrauch der Brennstoffzellen ist durch den hohen Wirkungsgrad vergleichsweise gering. Ein Nachbrenner nutzt außerdem in den Brennstoffzellen nicht verwertetes Gas. Auf den Gesamtverbrauch gerechnet entsteht weniger Kohlendioxid als bei herkömmlicher Heizung und Stromerzeugung.
Obwohl die kalte Verbrennung ohne Feuer abläuft, ist sie alles andere als kalt: Die verwendeten Festoxidbrennstoffzellen erreichen Temperaturen bis zu 850 Grad. Wichtige Bauteile, insbesondere die sogenannten Elektrolyten, müssen daher hitzebeständig sein. „Als Material für den Elektrolyt eignet sich Keramik besonders gut“, sagt Jahn. „Es verfügt über die gewünschte Leitfähigkeit und hält auch hohe Temperaturen aus.“ Die hohen Temperaturen ermöglichen jedoch erst die Verwendung von Erdgas anstelle von reinem Wasserstoff als Treibstoff. „Dadurch können die Festoxidbrennstoffzellen deutlich einfacher und kostengünstiger aufgebaut werden“, so Jahn.
Praxistest in Privathaushalten
In Zusammenarbeit mit dem Heizungshersteller Vaillant testen die Forscher zurzeit ihre Prototypen innerhalb des Projektes „Callux“, gefördert vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur. In den Haushalten der Projektteilnehmer werden die Brennstoffzellensysteme auf ihre Alltagstauglichkeit geprüft: sie sollen einfach zu bedienen und zu warten sein. Auch über Deutschlands Grenzen hinaus finden Tests statt: Im europäischen Demonstrationsprojekt „ene.field“ werden derzeit 150 Geräte in insgesamt zwölf EU-Ländern installiert.
Parallel zum Praxistest arbeiten die Partner bereits an neuen Modellen. „Jetzt geht es vor allem darum, die Kosten bei der Herstellung weiter zu drücken und die Lebensdauer der Anlage zu erhöhen“, sagt Jahn. Die völlige Marktreife ist noch nicht erreicht, liegt aber in greifbarer Nähe: „Für den Durchbruch am Markt müssen die Kosten weiter deutlich sinken.“
(Fraunhofer Gesellschaft, 03.06.2014 – AKR)
