Was sind Wasserstoff-Brennstoffzellen?

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist nichts Weiteres als ein elektrochemisches Gerät, in dem durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt wird. Sie basiert auf dem Prinzip, die im Wasserstoffgas gespeicherte chemische Energie direkt in Strom umzuwandeln und dabei auch Wasser und Wärme zu produzieren.

Die Grundkomponenten einer solchen Wasserstoff-Brennstoffzelle sind jeweils eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt. Der Anode wird Wasserstoff und der Kathode Sauerstoff aus der Luft zugeführt. Dabei entsteht die chemische Reaktion, aus der Energie hervorgeht.

Die Wasserstoff-Brennstoffzellen gelten als eine saubere und effiziente Technologie für die Stromerzeugung, da hier der Strom ohne Schadstoffe oder Treibhausgasemissionen erzeugt wird. Deshalb werden diese Zellen gerne in verschiedenen Bereichen eingesetzt, z. B. im Transportwesen (Brennstoffzellenfahrzeuge), in der stationären Stromerzeugung und bei tragbaren Elektronikgeräten.

Die Entwicklung der Technologien für die Wasserstoff-Brennstoffzellen ist ein Teil der aktuellen Bemühungen um den Übergang von fossilen zu umweltfreundlichen Energiequellen.

Das Design und die Größe dieser Einheiten variieren je nach dem Brennstoffzellentyp und deren Größe. Die Grundprinzipien sind jedoch ähnlich gelagert, und das Ziel ist stets die Optimierung von Effizienz, Haltbarkeit und Gesamtleistung.

Wasserstoff-Brennstoffzellen in Zügen funktionieren nach den gleichen Prinzipien wie in Fahrzeugen. Auch hier wird Wasserstoff als Brennstoff genutzt, um durch elektrochemische Prozesse Strom zu generieren.

Der Zug besitzt dabei spezielle Tanks mit Wasserstoffgas für die Brennstoffzelle. Der Wasserstoff wird hier durch verschiedene Methoden hergestellt, z. B. durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energiequellen oder durch die Reformierung von Erdgas.

Der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom treibt dann die Zugräder über elektrische Traktionsmotoren an. Auch hier kann, wie bei den Kraftfahrzeugen, die Energie für regenerative Bremsen verwendet werden.

Züge mit Wasserstoff-Brennstoffzellen gelten als umweltfreundlich, da sie keine Emissionen verursachen und im Vergleich zu den herkömmlichen Diesellokomotiven auch deutlich effizienter, zuverlässiger und kostengünstiger sind.

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle findet sich auch in Heizgeräten und funktioniert nach den gleichen Prinzipien wie in einem Fahrzeug oder Zug. Auch hier wandelt die Brennstoffzelle Wasserstoffgas durch den elektrochemischen Prozess in Strom um. Die dabei entstehende Wärme wird dann für die Wasserstoff-Heizung eingesetzt.

Das Heizgerät ist hierbei mit einer Wasserstoffquelle ausgestattet, die aus gespeicherten Wasserstofftanks oder einer externen Quelle kommen kann. Die erzeugte Energie wird zum Antrieb eines elektrischen Heizelements genutzt und erzeugt dann Wärme, die zur Raumheizung verteilt oder für andere Anwendungen genutzt wird.

Der Einsatz einer Brennstoffzelle in einer Wasserstoffheizung erzeugt ebenfalls Strom und Wärme mit einer geringen Umweltbelastung, da die einzigen Nebenprodukte Wasser und Wärme sind. Damit stellt sie eine saubere und effiziente Energielösung für Heizzwecke dar.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind in der internationalen Industrie in vielfältigen Branchen und Anwendungen verbreitet und bieten saubere und effiziente Energielösungen für viele Prozesse. Zu den häufigsten Anwendungen gehören dabei:

• Materialtransport-Ausrüstung: Gabelstapler und Lagerfahrzeuge werden bereits mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben. Diese Brennstoffzellen bieten im Vergleich zu herkömmlichen Batterien eine längere Laufzeit und ein schnelleres Betanken und sie eignen sich besser für zeitaufwändige Industrieeinsätze.
• Back-up-Stromversorgungssysteme: Hierbei werden Wasserstoff-Brennstoffzellen als Notstromsysteme für kritische Einrichtungen wie Rechenzentren, Telekommunikationspunkte und Notfalldienste eingesetzt. Sie bieten zudem eine zuverlässige und kontinuierliche Stromquelle bei Netzausfällen.
• Fernstromerzeugung: Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen werden dabei an abgelegenen oder netzunabhängigen Industriestandorten eingesetzt, wo eine zuverlässige Stromquelle benötigt wird. Sie sind eine saubere und nachhaltige Alternative zu Dieselgeneratoren.
• Transportwesen: Industriezweige mit Fahrzeugflotten wie Lieferwagen oder Servicefahrzeugen nutzen die Wasserstoff-Brennstoffzellen zum Antrieb emissionsfreier Fahrzeuge. Das reduziert die Umweltauswirkungen des Transports innerhalb von Industriebetrieben deutlich.
• Chemische und petrochemische Prozesse: Industrielle Branchen, die chemische und petrochemische Prozesse einsetzen, nutzen Wasserstoff-Brennstoffzellen für die Wasserstoffproduktion vor Ort. Dieser wird dann als Ausgangsstoff für weitere chemische Reaktionen genutzt.
• Wasserversorgung: Wasserstoff-Brennstoffzellen werden in entfernten oder netzunabhängigen Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt und bieten eine nachhaltige und zuverlässige Energiequelle für Wasseraufbereitungsprozesse.
• Bergbau: In abgelegenen Bergbau-Betrieben dienen Wasserstoff-Brennstoffzellen als netzunabhängige Stromquelle und versorgen die Geräte mit Strom, ohne dass ein zentrales Stromnetz erforderlich ist.

Die Energieeffizienz von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist ein wichtiger Faktor bei der Beurteilung ihres Faktors als saubere Energietechnologie. Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle wird in der Regel anhand des Verhältnisses der abgegebenen nutzbaren elektrischen Energie zum Energieinhalt des zugeführten Brennstoffs gemessen. Dabei werden folgende Effizienzen unterschieden:

• Well-to-Wheel-Effizienz: Der gesamte Wirkungsgrad einer Wasserstoff-Brennstoffzelle umfasst nicht nur den Wirkungsgrad der Zelle selbst, sondern auch den der Wasserstoffproduktion, -verteilung und -speicherung. Dies wird als „Well-to-Wheel“-Effizienz bezeichnet. Die Methode der Wasserstofferzeugung und die verwendeten Energiequellen spielen eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der Gesamteffizienz.
• Brennstoffzellen-Effizienz: Verschiedene Arten von Brennstoffzellen, z. B. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) oder Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) weisen meistens unterschiedliche Wirkungsgrade auf. Üblicherweise erzielen Brennstoffzellen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen auf Verbrennungsbasis höhere Wirkungsgrade.
• Verteilungs- und Speichereffizienz: Auch die Effizienz der Verteilungs- und Speichersysteme für den Wasserstoff beeinflusst die Gesamteffizienz. Durch die Kompression, Verflüssigung und den Transport von Wasserstoff können Energieverluste entstehen.
• Wärmerückgewinnung (Kraft-Wärme-Kopplung – KWK): Viele Anwendungen von Wasserstoff-Brennstoffzellen, insbesondere in Kraft-Wärme-Kopplungssystemen (KWK), verwenden die bei der elektrochemischen Reaktion entstehende Abwärme. Dies erhöht die Gesamteffizienz, weil sowohl Strom als auch nutzbare Wärme für Heizanwendungen produziert werden.

Der Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen in der Industrie belegt den angestrebten Übergang zu sauberen und nachhaltigeren Energielösungen, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und die Auswirkungen auf die Umwelt minimieren. Mit dem technologischen Fortschritt und der Weiterentwicklung der Infrastruktur wird erwartet, dass die industriellen Anwendungen von Wasserstoff-Brennstoffzellen deutlich zunehmen werden. Sehen Sie sich die Produkte und Lösungen an, die RS für Wasserstoff-Brennstoffzellen bereitstellt.