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Energietechnik

Rekordwirkungsgrad von reversibler Brennstoffzelle

| Autor/ Redakteur: Tobias Schlößer* / Christian Lüttmann

Ein elektrischer Wirkungsgrad von über 60 Prozent – diese Rekordleistung melden Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich für ihre neu entwickelte Brennstoffzelle. Die reversible Zelle erzeugt nicht nur Strom, sondern kann im Elektrolysemodus auch effizient Wasserstoff herstellen. Wie diese Technologie bei der Energiewende helfen könnte und was sie sonst noch leistet, erfahren Sie in diesem Beitrag.

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Prof. Ludger Blum neben einer reversiblen Hochtemperatur-Brennstoffzelle am Institut für Energie- und Klimaforschung in Jülich
Prof. Ludger Blum neben einer reversiblen Hochtemperatur-Brennstoffzelle am Institut für Energie- und Klimaforschung in Jülich
(Bild: Forschungszentrum Jülich GmbH, Ralf-Uwe Limbach)

Jülich – Reversible Brennstoffzellen verbinden sozusagen zwei Geräte in einem: Als Brennstoffzelle können sie aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugen, als Elektrolysezelle drehen sie diesen Prozess um und zerlegen Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff. Dank dieser flexiblen Betriebsweise eignen sich reversible Brennstoffzellen für den Bau von Anlagen, die Elektrizität in Form von Wasserstoff zwischenspeichern und diesen zu einem späteren Zeitpunkt wieder in elektrischen Strom zurück umwandeln.

Eine derartige Speichertechnologie könnte eine wichtige Rolle bei der Energiewende spielen. Sie wird benötigt, um Schwankungen erneuerbarer Energien auszugleichen und dem Auseinanderlaufen von Angebot und Nachfrage entgegenzuwirken. Auch für abgelegene Stationen auf Inseln und Bergen könnten reversible Brennstoffzellen helfen, eine autarke Energieversorgung sicherzustellen.

Vorteile von Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Die außergewöhnliche Eigenschaft der Reversibilität weisen nur Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf, kurz SOFC für „Solid Oxide Fuel Cell“, die bei etwa 800 Grad Celsius betrieben werden. Aufgrund der hohen Temperatur können für diesen Brennstoffzellentyp unedlere und kostengünstigere Materialien verwendet werden als für Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen. Gleichzeitig arbeiten Hochtemperatur-Brennstoffzellen höchst effizient. Anders als Niedertemperatursysteme, deren Wirkungsgrad im Betrieb mit Wasserstoff auf etwa 50 Prozent begrenzt ist, können Hochtemperatur-Brennstoffzellen auch einen deutlich höheren Wirkungsgrad erzielen.

62 Prozent Wirkungsgrad im Testbetrieb

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben nun den Wirkungsgrad einer SOFC noch weiter gesteigert und erstmals einen Wert von über 60 Prozent realisiert. Für ihre Anlage ermittelten die Forscher im Testbetrieb einen elektrischen Wirkungsgrad von 62 Prozent. „Möglich wurde dies durch ein verbessertes Stackdesign in Verbindung mit einer optimierten und hochintegrierten Anlagentechnik, die mehr als 97 Prozent des zugeführten Wasserstoffs elektrochemisch umsetzt“, sagt Prof. Ludger Blum vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung.

Eine dieser Verbesserungen liegt in der Wandlereinheit (engl. „Stack“). „Unser Stack kommt auf eine Leistung von 5 Kilowatt, womit in etwa der Stromverbrauch zweier Haushalte gedeckt werden könnte. Bislang musste man immer mehrere Einheiten im Kilowatt-Maßstab kombinieren, um eine vergleichbare Leistung zu erreichen“, erläutert Blum. Der Forscher hofft, dass sich so auch die Herstellungskosten senken lassen, da insgesamt weniger Einheiten für den Bau leistungsstarker Anlagen benötigt werden.

Auch bei der Wasserstofferzeugung hocheffizient

Im Elektrolysemodus, wenn das System Wasserstoff produziert, lässt sich die Jülicher Anlage sogar noch mit einer deutlich höheren Leistung fahren. Bei einer Stromaufnahme des Stacks von 14,9 Kilowatt erzeugt sie dann pro Stunde 4,75 Normkubikmeter Wasserstoff, was einem Systemwirkungsgrad von 70 Prozent entspricht. Damit arbeitet die Versuchsanlage bereits jetzt effizienter als alkalische und Polymerelektrolyt-Elektrolyseure, die auf 60 bis 65 Prozent kommen und heute Standard sind.

„Die Elektrolyse funktioniert für den Anfang schon recht gut, hier sehen wir aber auf jeden Fall noch ein Verbesserungspotenzial“, sagt Blum. Hochtemperatur-Systeme von anderen Entwicklern, die speziell für die Elektrolyse optimiert wurden, erreichen heute schon Wirkungsgrade von über 80 Prozent. Im Brennstoffzellenmodus arbeiten diese dann allerdings nicht so effizient, wie das neue Jülicher System.

Ziel: Gesamtwirkungsgrad von 50 Prozent

Die Jülicher Forscher wollen nun den so genannten Round-trip-Wirkungsgrad ihrer Brennstoffzelle weiter steigern. Dies ist der Wirkungsgrad, der bei der Wiederverstromung übrig bleibt, also nachdem Wasserstoff hergestellt und danach wieder verstromt wurde. Er charakterisiert also, wie gut das System als Energiespeicher geeignet ist. Die Wissenschaftler wollen den Wert von aktuell 43 Prozent auf über 50 Prozent verbessern.

Reversible Brennstoffzellen könnten als Energiezwischenspeicher eingesetzt werden. Wie sie in die Haustechnik eingebettet werden könnten veranschaulicht die Grafik.
Reversible Brennstoffzellen könnten als Energiezwischenspeicher eingesetzt werden. Wie sie in die Haustechnik eingebettet werden könnten veranschaulicht die Grafik.
(Bild: Forschungszentrum Jülich / Dr. P. Stenzel)

Für einen Wasserstoffspeicher wäre ein Wirkungsgrad von über 50 Prozent herausragend, auch wenn die Technologie in dieser Hinsicht nicht mit Batteriespeichern mithalten kann, die teilweise auf über 90 Prozent kommen. Dafür bieten Brennstoffzellen-Systeme einen anderen Vorteil. Während Batterien ein fest verbautes Energiekontingent haben, sind bei Brennstoffzellen Energiewandler (die Brennstoffzelle selbst) und Energieträger (Wasserstoff) klar voneinander getrennt. Daher kann immer wieder neu Wasserstoff zugeführt oder auch abgeleitet werden – der Menge der speicherbaren Energie sind so kaum Grenzen gesetzt.

* T. Schlößer, Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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Über den Autor

Christian Lüttmann

Christian Lüttmann

Volontär, Vogel Communications Group GmbH & Co. KG