Wirkungsgrad der Brennstoff­zelle

Bei der Brennstoff­zelle handelt es sich um besondere galvanische Elemente, in denen chemische Energie direkt in elektrische Energie umgesetzt wird. Für eine gelingende Energiewende braucht es neben Strom aus erneuerbaren Energien auch nachhaltige Stromerzeuger und flexible Stromspeicher. Wie effizient die einzelnen Technologien zur Strom­erzeugung sind, bildet der sogenannte Wirkungsgrad ab. So gibt der Wirkungsgrad einer Brennstoff­zelle Auskunft über ihre Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Energieerzeugern, beispielsweise konventionellen Generatoren. Doch welche Bedeutung hat der Wirkungsgrad einer Brennstoff­zelle wirklich und wie wird er bemessen?

Was bedeutet eigentlich der "Wirkungsgrad einer Brennstoff­zelle"?

Der Wirkungsgrad einer Brennstoff­zelle wird als Prozentzahl angegeben und macht die Effizienz technischer Anlagen vergleichbar. Während der Verbrennungs­motor eines PKWs einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 20 Prozent hat, weisen Fahrzeuge mit Elektromotoren Wirkungsgrade von 90 Prozent oder mehr auf. Das bedeutet, dass der Verbrenner lediglich 20 Prozent des eingesetzten Kraftstoffs in Fortbewegungsenergie umwandelt und die restlichen 80 Prozent als Abwärme verloren gehen. Dahingegen erzeugt das Elektro-Aggregat aus einem Kilowatt elektrischer Leistung eine mechanische Antriebsleistung von 0,9 Kilowatt. Auch hier werden die restlichen 0,1 Kilowatt als Wärme freigesetzt und deshalb als Verlustleistung bezeichnet. [1] [2]

Wie hoch sind die Wirkungsgrade von Brennstoff­zellen?

Bei den Wirkungsgraden von Brennstoff­zellen gibt es große Unterschiede. Zunächst unterscheidet man schon in der Definition zwischen dem energetischen Wirkungsgrad und dem idealen beziehungsweise theoretischen Wirkungsgrad von Brennstoff­zellen. Bei ersterem handelt es sich um das Verhältnis aus der gewonnenen elektrischen Energie zu der im verbrauchten Betriebsstoff – also Wasserstoff oder Methanol – gespeicherten Energie. Dagegen gibt der ideale oder theoretische Wirkungsgrad von Brennstoff­zellen an, wie viel elektrische Energie man theoretisch (im Verhältnis zur freiwerdenden Gesamtenergiemenge) nutzen kann. In der Praxis lässt sich dieser ideale Wirkungsgrad kaum erreichen. [3]

Bei der Suche nach dem Wirkungsgrad von Brennstoff­zellen ist jedoch eine weitere Unterscheidung notwendig: die Art des Aggregats. Am häufigsten kommt die Technologie der Polymer-Elektrolyt-Brennstoff­zelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)) zum Einsatz, darüber hinaus gibt es die sogenannte oxidkeramische Brennstoff­zelle (Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)). Während die PEM-Brennstoff­zelle über einen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 50 Prozent verfügt, bewegt sich der Wirkungsgrad der SOFC-Brennstoff­zelle zwischen 50 und 60 Prozent. [4] [5]

Obwohl ihr Wirkungsgrad meist niedriger ist, weisen PEM-Brennstoff­zellen längere Lebenszyklen von zehn Jahren und mehr auf. [5] Zurückführen lässt sich dies auf ihre geringere Betriebstemperatur des Stacks von 80 Grad Celsius. Damit ist die PEM-Brennstoff­zelle vor allem für Anwendungen im mobilen Bereich interessant. SOFC-Aggregate kommen dagegen häufiger in stationären Anwendungen zum Einsatz - beispielsweise für Blockheizkraftwerke und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. [6]

Die EFOY Hydrogen 2.5 Brennstoff­zelle von SFC Energy beruht auf der PEM-Technologie. Sie deckt hohe Leistungsbereiche ab und liefert zuverlässig und dauerhaft umweltfreundliche Energie für eine große Bandbreite von Anwendungen. Unter anderem fungiert sie als Notstromaggregat in Mobilfunkmasten und im Krisenmanagement gewährleistet sie mindestens 72 Stunden unterbrechungsfreien Notstrom.

Berechnung des Wirkungsgrads der Brennstoff­zelle:

Der Wirkungsgrad der Brennstoff­zelle wird als Quotient zwischen Nutzenergie (Enutz) und zugeführter Energiemenge (Ezu) beschrieben, wie es auch die Formel unten zeigt. Alternativ dazu kann auch mit der abgegebenen Leistung oder Arbeit und der zugeführten Leistung oder Arbeit gerechnet werden. Da das Verhältnis von zugeführter zu abgegebener Leistung / Arbeit aufgrund von Übertragungsverlusten naturgemäß nie dem Optimum von 1:1 entspricht, wird die Differenz von Ezu (bzw. Pzu oder Wzu) und Enutz (bzw. Pab oder Wab) als Verlustleistung bezeichnet.

Für den Wirkungsgrad der Brennstoff­zelle gilt: η = (ΔE_nutz) / (ΔE_zu)

Da die umgewandelte Energie durch entstehende Leistungsverluste immer geringer ist als die zugeführte Energie, ist der Wirkungsgrad immer kleiner als 1, bzw. 100 %. [7]

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Wirkwunder Wasserstoff

Dank der Fortschritte in der Brennstoff­zellen-Technologie gibt es heute für fast jede Anwendung die passende Brennstoff­zellenlösung. Gerade angesichts der ambitionierten Klimaschutzziele des Pariser Klimaabkommens und der mit ihnen verbundenen Herausforderungen ist dies als sehr positiv zu bewerten. Auf der Suche nach nachhaltigen, umweltfreundlichen Konzepten spielt die Elektromobilität längst eine wichtige Rolle. Denn: Eine Wasserstoff-Brennstoff­zelle hat zahlreiche Anwendungsgebiete, darunter als Energieerzeuger für Elektrofahrzeuge.

So ist der Wirkungsgrad einer Wasserstoff-Brennstoff­zelle im Vergleich zu konventionellen Verbrennungs­motoren überdurchschnittlich hoch. Neuere Elektroautos mit Wasserstoffantrieb verfügen außerdem über sehr hohe Reichweiten von bis zu 700 Kilometern, womit sie sich auf dem Niveau ihrer Benzin- und Diesel-Pendants bewegen. [9]

Wie wird der Wasserstoff für die Brennstoff­zelle gewonnen? Zwar ist Wasserstoff das häufigste Element im Universum, kommt jedoch nicht wie beispielsweise Öl in der Erdrinde vor. Das bedeutet, Wasserstoff lässt sich auch nicht so einfach abbauen, sondern muss in einem chemischen Verfahren hergestellt werden. Entweder geschieht dies durch die Hinzunahme von fossilen Energieträgern wie Erdgas im sogenannten Reformierungsverfahren oder durch Elektrolyse. Im ersten Fall lässt sich Wasserstoff mit Hilfe von Wasser unter Hinzunahme von fossilen Energieträgern wie Erdgas herstellen. Dabei spricht man vom sogenannten Reformierungsverfahren. Alternativ und umweltfreundlicher ist das Herstellungsverfahren mittels Elektrolyse, eines Prozesses, bei dem Wasser mit Hilfe von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgetrennt wird. Die Elektrolyse weist einen Wirkungsgrad von 60 bis 70 Prozent auf. Und auch bei der Umwandlung des Wasserstoffs in Strom geht Energie verloren. Der Wirkungsgrad der Wasserstoff-Brennstoff­zelle liegt je nach Anwendung bei etwa 60 Prozent.[10]

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Brennstoff­zellen: Schlüsseltechnologie der Energiewende

Damit Wasserstoff-Brennstoff­zellen wirklich nachhaltigen Strom produzieren können, benötigen sie sogenannten "grünen Wasserstoff". Denn: Nur diese Form wird klimaneutral hergestellt, da bei ihrer Produktion ausschließlich Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne eingesetzt wird. Ein weiteres essenzielles Element zur Finalisierung der Energiewende ist die Möglichkeit, Strom in Form von Wasserstoff zu speichern, um diese Energie dann bei Bedarf durch Brennstoff­zellen dezentral zu verstromen. Nur durch geeignete Speichertechnologien kommt die Energie dorthin, wo sie benötigt wird, und die Versorgung wird dezentraler.

Brennstoff­zellen sind nicht notwendigerweise auf Wasserstoff als Betriebsstoff angewiesen. Ebenfalls sehr effizient und daher beliebt sind Direktmethanol-Brennstoff­zellen. Wie der Name schon sagt, produzieren sie umweltfreundlichen Strom aus Methanol. Dabei liegt der Wirkungsgrad dieser Brennstoff­zellen bei rund 50 Prozent. [7][9]

Mit den Methanol betriebenen Brennstoff­zellen EFOY, EFOY Pro, EMILY und JENNY bietet SFC Brennstoff­zellen mit hohen Wirkungsgraden an, die sowohl von Industrieunternehmen als auch von Behörden für Verkehrsleittechnik, Mess- und Wetterstationen oder die zivile Überwachungstechnik genutzt werden. Doch Brennstoff­zellen sind extrem vielseitig: Auch im Privatgebrauch kommen sie zum Einsatz, beispielsweise zur autarken Strom­versorgung von Reisemobilen und Booten.

Fazit

Wenn es darum geht, aus Methanol oder Wasserstoff elektrische Energie zu gewinnen, kommen inzwischen häufig Brennstoff­zellen zum Einsatz. Sie sind eine saubere Alternative zu Verbrennungs­motoren mit fossilen Kraftstoffen und gewinnen daher wirtschaftlich weiter an Bedeutung. Dabei unterscheidet man zwischen dem Betrieb mit gasförmigem Wasserstoff und flüssigen Methanol-Brennstoff­zellen. Beide Arten von Brennstoff­zellen unterscheiden sich in Hinblick auf die Wirkungsgrade kaum und haben im Vergleich zu Verbrennungs­motoren sehr hohe Wirkungsgrade. Effiziente Modelle solcher Brennstoff­zellen wandeln Gas direkt in elektrische und thermische Energie um und erreichen auf diese Weise Wirkungsgrade von 50 bis 60 Prozent. Neben dem hohen Wirkungsgrad der Brennstoff­zelle arbeiten sie zudem sehr zuverlässig und verfügen über eine lange Lebensdauer. Bestimmte Katalysatoren tragen zur Verbesserung des Prozesses bei und zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei – und lassen sich daher nutzen, um die Effizienz von Brennstoff­zellen zu optimieren.

Was ist der Wirkungsgrad einer Brennstoff­zelle?

Brennstoff­zellen sind Energiewandler. Es handelt sich um chemische Reaktoren, die die chemische Energie von Wasserstoff in elektrische Energie und Wärme umwandeln, ohne dass es dabei zu einer Verbrennung kommt. Diesbezüglich spricht man von "kalter Verbrennung".

Der Wirkungsgrad einer Brennstoff­zelle wird als Prozentzahl angegeben und bemisst, wie viel elektrische Energie im Verhältnis zur freigesetzten Gesamtenergie genutzt werden kann. Durch den Wirkungsgrad lassen sich technische Anlagen hinsichtlich ihrer Effizienz miteinander vergleichen. Der Wirkungsgrad von Brennstoff­zellen wird so berechnet wie die anderen Aggregate.

Welche Brennstoff­zelle hat den höchsten Wirkungsgrad?

Während sich der ideale oder theoretische Wirkungsgrad von Brennstoff­zellen in der Praxis so gut wie nie erreichen lässt, liegt der sogenannte elektrische Wirkungsgrad der PEM-Brennstoff­zelle bei rund 50 %.

Wie wird der Wirkungsgrad der Brennstoff­zelle berechnet?

Der Wirkungsgrad der Brennstoff­zelle wird als Quotient zwischen Nutzenergie (Enutz) und zugeführter Energiemenge (Ezu) berechnet. Da die umgewandelte Energie durch entstehende Leistungsverluste immer geringer ist als die zugeführte Energie, ist der Wirkungsgrad immer kleiner als 1, bzw. 100%.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad bei Wasserstoff?

Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungs­motoren ist der Wirkungsgrad einer Wasserstoff-Brennstoff­zelle sehr hoch. Je nach Anwendung liegt der Wirkungsgrad der Wasserstoff-Brennstoff­zelle zwischen 50 und 60 Prozent.

Quellen

[1] https://www.bmuv.de/themen/verkehr/elektromobilitaet/effizienz-und-kosten#:~:text=Der%20Wirkungsgrad%20eines%20Benzinmotors%20liegt,gehen%20als%20Abw%C3%A4rme %20weitgehend%20verloren.

[2] https://www.springerprofessional.de/motorentechnik/pkw-antriebe-im-ueberblick-vergangenheit-gegenwart-und-zukunft/6561052

[3] https://www.chemieunterricht.de/dc2/fc/wirkung.htm

[4] https://gas.info/gas-im-energiemix/gebaeude/heizungen-im-vergleich/heizung-brennstoffzelle/funktionsprinzip-brennstoffzelle/brennstoffzellen-typen

[5] https://www.energie-experten.org/heizung/brennstoffzelle/typen/pem-brennstoffzelle

[6] https://publica-rest.fraunhofer.de/server/api/core/bitstreams/bc1bbe7c-9c8a-4620-95da-4ecc307b6457/content

[7] https://www.vattenfall.de/glossar/wirkungsgrad

[8] https://www.studysmarter.de/schule/chemie/physikalische-chemie/wasserstoff-brennstoffzelle/#:~:text=Der%20Wirkungsgrad%20einer%20Wasserstoff%2DBrennstoff­zelle,Dieselmotors%20bei%20etwa%2040%25%20liegt.

[9] https://www.fh-muenster.de/egu/fue/fue_gebiete/sektorenkopplung/hymat/FRAGEDESMONATSDEZ.php

[10] https://siqens.de/methanol-brennstoffzelle/

[11] https://www.chemie.de/news/1170226/das-geheimnis-von-katalysatoren-die-den-wirkungsgrad-von-brennstoffzellen-erhoehen.html