Bei diesem Blockheizkraftwerk vom Typ PEMFC nehmen die Anlagen zur Reformierung des Erdgases erheblich mehr Platz in Anspruch als der eigentliche Brennstoffzellen-Stapel (links hinten), der die chemische Energie des Brennstoffs in 250 Kilowatt Strom und 237 Kilowatt nutzbare Wärme umwandelt.

Den Wasserstoff liefert Erdgas und den Sauerstoff die Luft

Wasserstoff und Sauerstoff, welche die Brennstoffzelle für die elektrochemische Reaktion benötigt, sind relativ teuere Gase und müssen erst aus anderen Substanzen gewonnen werden. Unter diesen Umständen könnte die Stromerzeugung mit Brennstoffzellen mittelfristig nicht wirtschaftlich werden. Zum Glück stellen aber die meisten Brennstoffzellen nicht so hohe Ansprüche an die Reinheit der zugeführten Gase. Anstelle von reinem Wasserstoff nehmen sie auch mit Wasserstoff aus Erdgas (oder anderen Kohlenwasserstoffen) und anstelle von reinem Sauerstoff auch mit dem Sauerstoff der Luft vorlieb. Allerdings muß man den Brennstoff - der neben Erdgas auch Biogas oder Methanol sein kann - erst zu einem wasserstoffhaltigen Gemisch aufbereiten und von Stoffen befreien, welche die Brennstoffzelle beeinträchtigen könnten.

Schema eines Brennstoffzellen-Kraftwerks mit externer Reformierung des Brenngases, wie sie bei Anlagen vom Typ PAFC und PEMFC erforderlich ist. Das Erdgas wird dabei in ein wasserstoffhaltiges Gemisch verwandelt und außerdem von Beimengungen befreit, welche die Zelle "vergiften" könnten.

Interne und externe Reformierung

Die Aufbereitung des Brenngases wird als "Reformierung" bezeichnet. Je nach Typ erfolgt die Reformierung "extern" in einer separaten Anlage, die der Zelle vorgeschaltet ist, oder "intern" in der Zelle selbst.

Bei der externen Reformierung von Erdgas wird der Wasserstoff unter hohen Temperaturen aus Erdgas und Wasserdampf gewonnen. Und zwar besteht Erdgas bis zu 90 % aus Methan (CH4). Dieses Methan wird durch Dampfreformierung (CH4 + H2O -> 3H2 + CO) sowie durch anschließende Kohlenmonoxid-Konvertierung (CO + H2O -> H2 + CO2) in Wasserstoff umgewandelt. Hinzu kommen eventuell noch Vorrichtungen, um das erzeugte wasserstoffhaltige Prozeßgas von Beimengungen zu befreien, welche die Brennstoffzelle schädigen könnten. Die Anlagen zur externen Reformierung beanspruchen ziemlich viel Energie und erheblich mehr Raum als die eigentliche Brennstoffzelle.

Bei der internen Reformierung ist der Aufwand an Energie und Apparaturen geringer. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist entsprechend größer. Die interne Erdgas-Reformierung ist aber nur bei den sogenannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen möglich.

Diese Grafik zeigt die möglichen elektrischen Wirkungsgrade bei der Verstromung von Erdgas auf der Basis von Brennstoffzellen (gelb) und konventionellen Techniken (rot). Wie man sieht, eignen sich Brennstoffzellen vor allem für den Einsatz im kleineren Leistungsbereich: Die PEMFC deckt Leistungen bis 1 MW ab, während PAFC, SOFC und MCFC als Kandidaten für Leistungen von etwa 100 Kilowatt bis zu 10 MW gelten. Mit nachgeschaltetem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk könnten die Hochtemperatur-Brennstoffzellen SOFC und MCFC sogar in den Leistungsbereich von Großkraftwerken vorstoßen.

Hoher Wirkungsgrad auch bei wechselnder Belastung

Als elektrochemischer Energiewandler unterliegt die Brennstoffzelle nicht dem Gesetz von Carnot, das den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen aus physikalischen Gründen grundsätzlich beschränkt (siehe SB 105 Stromerzeugung in Wärmekraftwerken). Je nach Typ und Brennstoff kann sie theoretisch elektrische Wirkungsgrade von 70% bis annähernd 100% erreichen. In der Praxis beträgt der Wirkungsgrad der einzelnen Zelle 40% bis 70% und der des gesamten System 35% bis 60%.

Ein weiterer Vorteil der Brennstoffzelle ist, daß sie in einem weiten Bereich schwankende Belastungen verkraftet, ohne wesentlich an Effizienz zu verlieren: Ihr Wirkungsgrad erreicht bereits bei halber Volllast sein Maximum, um dann mit wachsender Stromentnahme in einer flachen Kurve abzufallen. Sie kann sich damit den Schwankungen des Strombedarfs besser anpassen als Wärmekraftmaschinen, die erst bei Vollast ihre volle Effizienz entfalten.

Dank ihrer Anpassungsfähigkeit an Lastwechsel eignen sich Brennstoffzellen auch sehr gut als Stromlieferanten für Elektroautos, denn im Straßenverkehr wird meistens nur mit Teillast gefahren.

Werden Brennstoffzellen als Blockheizkraftwerke betrieben, ist innerhalb dieses Bereichs, in dem sie Lastwechsel ohne größere Einbußen an Effizienz hinnehmen, sowohl eine "stromseitige" als auch eine "wärmeseitige" Führung möglich: Im ersten Fall ist die Stromproduktion vorgegeben und die Wärme das Nebenprodukt. Im zweiten Fall deckt die Brennstoffzelle einen vorgegebenen Wärmebedarf und die Stromerzeugung schwankt entsprechend.

Brennstoffzellen erzeugen den Strom sehr umweltfreundlich: Im Idealfall - beim Betrieb mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff - entsteht als "Abfallprodukt" nichts weiter als Wasser. Auch beim Betrieb mit reformiertem Erdgas und Luft können die Schadstoffemissionen praktisch vernachlässigt werden. Außerdem funktionieren Brennstoffzellen völlig geräuschlos, wenn man von den Geräuschen absieht, die eventuell durch Hilfsaggregate entstehen.