Unabhängig Strom erzeugen? Mit mobilen Diesel- und Gasstromerzeugern funktioniert das bereits sehr zuverlässig. Wären da nicht die Lärm- und Schadstoffemissionen der überwiegend mit fossilen Energieträgern betriebenen Generatoren. Wasserstoff Stromerzeuger sollen diese Nachteile ausgleichen. Wasserstoff Stromerzeuger arbeiten flüsterleise, stoßen keine Luftschadstoffe aus und sind nahezu überall einsetzbar. Arbeiten die Geräte mit grünem Wasserstoff aus regenerativen Energien, ist das Paket in puncto Nachhaltigkeit komplett. Doch wie funktioniert ein Wasserstoff Stromaggregat? Für welche Einsatzzwecke eignen sich Brennstoffzellen Stromerzeuger und wann stehen Geräte zum Kauf oder zur Miete bereit?
Deutsche-Thermo gibt Antworten auf diese Fragen und zeigt, wie die ortsunabhängige Stromversorgung in Zukunft funktionieren kann.
Die Themen im Überblick
Strom, Wärme und Wasser ohne Verbrennung oder Schadstoffe
Von der „Erfindung“ der Brennstoffzelle durch Sir William Robert Grove im Jahre 1839 bis zu ersten praktischen Anwendungen in der Raumfahrt in den 1960er-Jahren war es ein langer Weg. Dass Forscher auf der ganzen Welt bis heute an der Technologie der Wasserstoff Aggregate festhalten, liegt dabei an den enormen Vorteilen. Denn anders als konventionelle Kraftwerke und Generatoren, die Strom zum Beispiel aus Kohle oder Gas gewinnen, arbeiten Brennstoffzellen Stromerzeuger ohne Verbrennung im herkömmlichen Sinne. Die umgekehrte Elektrolyse, bei der Wasserstoff und Sauerstoff unter kontrollierten Bedingungen miteinander reagieren, macht dabei einiges besser.
Wasserstoff Stromerzeuger arbeiten ohne schädliche Abgase
Verbrennen konventionelle Generatoren Gas oder Diesel, um Strom zu erzeugen, stoßen sie Feinstaub und andere Luftschadstoffe aus. Sie emittieren Kohlenstoffdioxid, schaden der Umwelt und tragen so zum Treibhauseffekt bei. Arbeitet eine Brennstoffzelle als Generator, ist das anders. Ohne Verbrennung im herkömmlichen Sinne entstehen hier gar keine Abgase. Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehen nur Wasser und Wärme, die sich technisch weiter nutzen lassen.
Übrigens
Die ersten Brennstoffzellen Stromerzeuger kamen in der Raumfahrt zum Einsatz. In den bemannten Apollokapseln nutzen Astronauten das entstehende Wasser dabei zum Trinken. Das zeigt, wie ungefährlich es tatsächlich ist.
Wasserstoff Stromerzeuger erzeugen flüsterleise elektrische Energie
Konventionelle Stromgeneratoren bestehen aus einem Motor und einem Generator. Während der Motor chemische Energie der eingesetzten Rohstoffe in Bewegungsenergie umwandelt, nutzt der Generator diese zur Stromerzeugung. Die beweglichen Teile erzeugen dabei viel Lärm, den es bei einem Brennstoffzellen Stromerzeuger nicht gibt. Denn dieser kommt ohne bewegliche Teil aus und arbeitet daher flüsterleise.
Wasserstoff Brennstoffzellen Stromerzeuger arbeiten nahezu wartungsfrei
Die spezielle Funktionsweise der Wasserstoff Stromgeneratoren hat einen weiteren Vorteil: Ohne bewegliche Teile gibt es auch weder Abrieb noch Verschleiß, wodurch die innovativen Anlagen weitestgehend wartungsfrei arbeiten. Das ist zuverlässig und günstig, da die Betriebskosten in der Regel geringer ausfallen.
Hoher Wirkungsgrad sorgt für wenig Abwärme und Verbrauch
Heute im Einsatz befindliche Gas und Diesel Generatoren arbeiten in der Regel mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 20 bis 40 Prozent. Das heißt, dass Nutzer etwa 20 bis 40 Kilowattstunden Strom erhalten, wenn sie der Anlage über die Brennstoffe 100 Kilowattstunden zuführen. Innovative SOFC-Brennstoffzellen Stromerzeuger kommen elektrisch auf einen Wirkungsgrad von etwa 60 Prozent. Sie verursachen weniger Abwärme und arbeiten somit sparsamer.
Übrigens:
SOFC steht für solid oxide fuel cell und bezeichnet Festoxid-Brennstoffzellen Stromerzeuger, die bei hohen Temperaturen besonders effizient arbeiten. Dem gegenüber stehen beispielsweise PEM-Brennstoffzellen Stromerzeuger mit Polymerelektrolyt, die bei geringeren Temperaturen arbeiten. Sie laufen schneller an, erreichen dafür aber niedrigere Wirkungsgrade. Außerdem sind Niedertemperaturbrennstoffzellen wie PEM-Anlagen anfälliger gegen Verschmutzungen im Brenngas als Hochtemperaturbrennstoffzellen wie SOFC-Anlagen.
Elektrolyseure erzeugen Wasserstoff aus Solar- oder Windkraft
Diesel und Erdgas sind aktuell am häufigsten im Einsatz, wenn es um die mobile Stromerzeugung in größeren Leistungsbereichen gibt. Beide Brennstoffe haben dabei eines gemeinsam: Sie haben meist einen fossilen Ursprung und sind nur begrenzt auf der Erde vorhanden. Kommt Wasserstoff im Stromgenerator zum Einsatz, ist das anders. Denn dieser lässt sich mit der Elektrolyse aus Wasser und Strom gewinnen. Die elektrische Energie stammt dabei im besten Falle aus Solar- oder Windkraftwerken, die diesen zu bestimmten Tageszeiten ohnehin häufig im Überschuss produzieren.
Brennstoffzellen Stromerzeuger eignen sich für viele Bereiche
Wasserstoff Aggregate liefern sauberen Strom, der neben Baumaschinen auch sensible elektrische Geräte mit Energie versorgt. Die Anlagen erreichen ein sehr großes Leistungsspektrum und kommen daher in verschiedensten Bereichen zum Einsatz. Die folgende Übersicht zeigt einige Beispiele:
- mobile Stromversorgung beim Campen, beim Angeln oder auf der Jagd
- Stromerzeugung für Wochenendhäuser und Hütten ohne Netzanschluss
- Versorgung mit elektrischer Energie bei Klein- und Großveranstaltungen
- Erzeugung von Strom für militärische Einsätze und Katastrophengebiete
- Stromerzeugung in Wasserschutzgebieten und lärmsensiblen Bereichen
- Baustromversorgung für kleine und große Hoch- sowie Tiefbauvorhaben
- Einsatz als Notstromaggregat mit Wasserstoff bei einem Stromausfall
- Ersatz- und Übergangsstromversorgung bei einem Stromerzeuger Defekt
- netzunabhängig Ladestationen für Elektroautos mit Schnellladefunktion
Über die hier genannten Beispiel hinaus sind Brennstoffzellen Generatoren grundsätzlich überall da einsetzbar, wo elektrische Energie unabhängig vom öffentlichen Netz oder parallel zu diesem erforderlich ist.
Aufbau und Funktionsweise der Wasserstoff Stromgeneratoren
Auch wenn sich die Technik seit 1839 stetig weiterentwickelt hat, ist das Grundprinzip doch gleich geblieben: Die kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff, bei der neben Wasser auch Strom und Wärme entstehen. Die elektrochemische Reaktion läuft in den Brennstoffzellen ab. Die Anzahl der miteinander zu einem Stack verbundenen Zellen beeinflusst wiederum die Leistung der Anlagen.
Anode, Kathode und eine für Gase undurchlässiger Elektrolyt
Jede einzelne Brennstoffzelle im Generator besteht aus zwei Elektroden, die von einem für Gase undurchlässigen Elektrolyt voneinander getrennt sind. Katalysatoren aus Nickel, Platin oder anderen Stoffen, die sich auf den Elektroden befinden, ermöglichen die Reaktion.
Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in den Zellen miteinander
Nimmt ein Brennstoffzellen Stromerzeuger seinen Betrieb auf, treffen Wasserstoff und Sauerstoff auf die Elektroden. An der Anode gibt Wasserstoff dabei Protonen (H+) ab. Die dadurch frei werdenden Elektronen (e-) wandern über einen elektrischen Leiter zur Kathode und es fließt Strom. Zur gleichen Zeit schlüpfen die Protonen durch den Elektrolyten. Sie verbinden sich auf der Kathodenseite mit Sauerstoffatomen zu Wasser und entweichen mit höherer Temperatur aus der Zelle.
Mit Wasserstoff im Generator unabhängig Strom erzeugen
Damit ein Brennstoffzellen Stromerzeuger seinen Betrieb aufnehmen kann, ist neben Sauerstoff aus der Luft auch Wasserstoff erforderlich. Dabei handelt es sich um ein natürliches chemisches Element, das überall auf der Erde vorkommt. Das einzige Problem: Es liegt nie in Reinform vor, sondern ist in Verbindungen gebunden. Ein Beispiel ist Wasser, das bekanntlich aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht.
Elektrolyseur trennt Wasserstoff und Sauerstoff mit elektrischer Energie
Die Herstellung von Wasserstoff für Brennstoffzellen Stromerzeuger funktioniert unter anderem mit der Elektrolyse. Dabei befinden sich zwei Elektroden im Wasser. Fließt Strom, trennen sich Wasser- und Sauerstoff. Während der Wasserstoff zur positiv geladenen Anode wandert, sammelt sich der Sauerstoff an der negativ geladenen Kathode. Beide Stoffe lassen sich aus dem Prozess abscheiden und weiter nutzen.
Übrigens:
Die Wasserstoff Herstellung erfolgt neben der Elektrolyse auch mit Reformierungs- oder Pyrolyseverfahren. Im ersten Fall nutzen Hersteller Wasserdampf, um Wasserstoff von Erdgas abzuspalten. Bei der Pyrolyse trennen technische Prozesse Methan mit Hitze in Wasserstoff und festen Kohlenstoff.
Antriebsenergie stammt im besten Falle aus Solar- und Windkraftanlagen
Um Brennstoffzellen Generatoren klimaneutral und nachhaltig betreiben zu können, muss die zur Wasserstoff Herstellung benötigte Energie aus regenerativen Energien-Anlagen stammen. Besonders interessant sind dabei Solar- und Windkraftwerke, die Elektrolyseure mit Überschussstrom betreiben. Die nötigen Elektrolyseure sind heute bereits am Markt verfügbar und in kleinen sowie großen Anlagen einsetzbar.
Druckgasflaschen für die Versorgung der Brennstoffzellen Stromerzeuger
Im gasförmigen Zustand nimmt der energiereiche Wasserstoff viel Raum ein. Um ihn transportieren und in ortsunabhängigen Anlagen verstromen zu können, ist daher eine Verdichtung erforderlich. Dazu erhöhen technische Anlagen den Druck auf etwa 200 bar, bevor sie das Gas in Gasflaschen abfüllen. Letztere lassen sich anschließend an die Brennstoffzelle zur Stromerzeugung anschließen, nutzen und bei Bedarf einfach tauschen.
Übrigens:
Geht es um die Wasserstoff-Speicherung, kommen auch weitere Lösungen infrage. So zum Beispiel die Verflüssigung durch Abkühlen auf -253 Grad Celsius, die Absorption von Metallhydriden oder die Speicherung in flüssigen Trägermedien.
Verschiede Farben und Umweltfreundlichkeit der Wasserstoff Aggregate
Auch wenn der energiereiche Ausgangsstoff für Brennstoffzellen Stromerzeuger eigentlich farblos ist, liest man in der Praxis immer wieder von grauem, blauem, türkisem oder grünem Wasserstoff. Die Farbe beschreibt dabei den Grad des Klimaschutzes, wie die folgende Tabelle zeigt.
| Farbe von Wasserstoff für Brennstoffzellen Generatoren | Beschreibung |
|---|---|
| Grau | Grauer Wasserstoff entsteht bei der Dampfreformierung von Erdgas. Dabei handelt es sich um einen energieintensiven Prozess, der in der Regel ausschließlich auf fossilen Rohstoffen basiert. Das Endprodukt ist daher nicht klimafreundlich. |
| Blau | Speichern Produzenten das bei der Erdgas-Reformierung entstehende Kohlendioxid, erzeugen sie blauen Wasserstoff für Brennstoffzellen Stromerzeuger. Die Klimafreundlichkeit ist hier höher, da Kohlenstoffdioxid (CO2) nicht in die Atmosphäre gelangt. Die Langzeitfolgen der unterirdischen Speicherung mittels Carbon Capture and Storage-Technik (CSS) sind allerdings nicht hinreichend genau erforscht. Zudem ist es möglich, dass das Treibhausgas durch Leckagen dennoch in die Atmosphäre gelangt. |
| Türkis | Entsteht der für Stromerzeuger und Notstromaggregate erforderliche Wasserstoff bei hohen Temperaturen durch die Pyrolyse von Erdgas, handelt es sich um türkisen Wasserstoff. Voraussetzung ist allerdings, dass der feste Kohlenstoff, der als Abfallprodukt entsteht, nicht verbrannt, sondern eingelagert wird. Außerdem sollten die Pyrolyse-Anlagen zumindest anteilig auf regenerative Energie setzen. |
| Grün | Mit grünem Wasserstoff arbeiten Brennstoffzellen Stromerzeuger klimaneutral. Denn dieser entsteht bei der oben beschriebenen Elektrolyse mit Strom aus Solar- oder Windkraftanlagen. |
Neben den vier gebräuchlichsten Farben sind immer wieder auch andere zu finden. So steht die Farbe Weiß dafür, dass Wasserstoff als Abfallprodukt anderer Prozesse entstand. Die Farbe Braun erhält der Stoff bei der Herstellung mithilfe von Kohle und Gelb, wenn die Wasserstoffproduktion mit regenerativen und fossilen Energieträgern erfolgt. Die Farben Rot, Rosa oder Violett kennzeichnen darüber hinaus die Produktion mit Strom aus Atomkraft.
Aktueller Stand: Brennstoffzellen Generatoren heute und morgen
Die Folgen von Klimawandel und Ukraine-Konflikt zeigen: Die klimaneutrale, nachhaltige und weitestgehend unabhängige Versorgung mit Energie ist heute wichtiger denn je. Dabei geht es nicht allein um den löblichen Gedanken an eine gesunde Umwelt oder mögliche Druckmittel gegen andere Nationen. Viel wichtiger ist es, Klimakatastrophen abzuwenden und Energie in ausreichendem Maße sowie zu verträglichen Preisen nutzen zu können. Brennstoffzellen Stromerzeuger und Notstromaggregate für grünen Wasserstoff ermöglichen das und werden daher in Zukunft von zunehmender Bedeutung sein.
Markteinführung, Demonstration und Weiterentwicklung der Technik
Aktuell beginnen zahlreiche Hersteller mit der Markteinführung. Sie bieten Demonstrations- sowie Testanlagen an und sammeln Erfahrungen mit der Technologie. In naher Zukunft führen die eingangs erwähnten Gründe dann aller Voraussicht nach dazu, dass Interessenten immer mehr Brennstoffzellen Stromerzeuger kaufen oder mieten können.
Hohe Preise sinken mit zunehmendem Angebot an Brennstoffzellen
Steigen die Produktionszahlen der innovativen und klimaneutralen Generatoren, führt das auch zu sinkenden Preisen. Brennstoffzellen Stromerzeuger werden erschwinglicher und bekommen das Potenzial, heute übliche Dieselaggregate vom Markt zu verdrängen. Das entspricht letztlich auch dem Willen der Politik, die bereits für das Jahr 2045 die vollständige Klimaneutralität Deutschlands plant.
FAQ: Häufig gestellte Fragen zu Brennstoffzellen Stromerzeugern
Welche Vorteile hat die Brennstoffzellentechnik bei Stromaggregaten?
Stromerzeuger und Notstromaggregate mit Wasserstoff arbeiten flüsterleise. Sie kommen ohne bewegliche Teile aus und sind dadurch besonders wartungsfreundlich. Der Betrieb ohne Öle oder wassergefährdende Brennstoffe ermöglicht den Einsatz in nahezu jeder Region und der benötigte Rohstoff lässt sich komplett regenerativ herstellen, was einen CO2-neutralen Betrieb der Brennstoffzellen Stromerzeuger möglich macht.
Wie funktioniert ein Brennstoffzellen Generator für den mobilen Einsatz?
Brennstoffzellen Stromerzeuger bestehen aus Druckgasflaschen für Wasserstoff und dem eigentlichen Brennstoffzellen Generator. Letzterer setzt sich aus zahlreichen einzelnen Zellen zusammen, die zu Stacks miteinander verbunden sind. Eine Zelle besteht dabei einfach beschrieben aus zwei mit Katalysatoren beschichteten Elektroden, die durch einen gasundurchlässigen Elektrolyt voneinander getrennt sind. Im laufenden Betrieb strömt Wasserstoff über die erste Elektrode und teilt sich in Protonen und Elektronen. Während die Protonen durch den nur für sie durchlässigen Elektrolyt schlüpfen, wandern Elektronen über einen Leiter zur zweiten Elektrode und es fließt Strom. Die Protonen verbinden sich daraufhin mit Sauerstoff, wobei Wasser entsteht.
Woher kommt der Wasserstoff und wie lässt er sich bevorraten?
Der Brennstoff für die Wasserstoff Stromgeneratoren stammt im besten Fall aus Wasser, das ein Elektrolyseur mithilfe von Strom aus regenerativen Energien-Anlagen in Wasserstoff und Sauerstoff trennt. Der Rohstoff ist dadurch regenerativ und CO2-neutral einsetzbar. Alternativ lässt er sich mithilfe von Dampf (Reformation) oder Hitze (Pyrolyse) aus anderen Gasen gewinnen.
Was sagt die Farbe von Wasserstoff über die Klimaneutralität aus?
Nur grüner Wasserstoff ist klimaneutral. Ist die Farbkennzeichnung Türkis, stammt der Stoff aus der Pyrolyse von Methan, wobei der dabei entstehende feste Kohlenstoff nicht weiter verwendet wird. Blauer Wasserstoff entsteht bei der Dampfreformation, wenn das entstehende CO2 in Lagerstätten unter der Erde eingelagert wird – bei grauem Wasserstoff entweicht CO2 nach der Reformation in die Atmosphäre.
Für welche Geräte eignet sich ein Notstromaggregat für Wasserstoff?
Da Brennstoffzellen Generatoren sauberen Strom liefern, lassen sie sich für nahezu alle elektrischen Geräte nutzen. Dazu gehören Baumaschinen genauso wie industrielle Anlagen, Elektroautos oder sensible elektrische Geräte in der Steuerungs- und Medizintechnik.
Kann ich bereits Brennstoffzellen Stromerzeuger kaufen oder mieten?
Aktuell sind Brennstoffzellen Stromerzeuger zum Kaufen oder Mieten vor allem im kleinen Leistungsbereich verfügbar. Größere Anlagen befinden sich noch in der Entwicklung oder in der Testphase. So bieten einige Vermieter moderne Wasserstoff Aggregate zu Test- und Demonstrationszwecken an.
