Brennstoffzellen
Dez 21st, 2009 by Stefan Fassbinder
Die Umwandlung mechanischer in elektrische Energie gelingt meist sehr effizient. Eine Turbine in einem Gas-, Dampf- oder Wasserkraftwerk erreicht gut und gern einen Wirkungsgrad über 85%. Der Generator schafft – je nach Größe – mitunter über 99%. Einen Gesamt-Wirkungsgrad dieses Gebildes um 85% darf man also erwarten. Schön für das Wasserkraftwerk! Damit arbeitet es also nahezu ideal.
Dummerweise jedoch muss man – oder musste man bis vor einiger Zeit – immer den Umweg über die Wärme gehen, um chemische in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei wird ein Brennstoff verbrannt oder spaltbares radioaktives Material gespalten und mit der entstehenden Wärme Wasser gekocht. Das Wasser verdampft und nimmt dadurch beträchtlich an Volumen zu. Diese Zunahme des Volumens kann natürlich mechanische Arbeit verrichten – leider nur mit einem begrenzten Wirkungsgrad von etwa 33% bei traditionellen Kohle- und Kernkraftwerken.
Die Alternativen sind Gasturbinen und (in kleineren und mittleren Anlagen, vor allem zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme) Verbrennungsmotoren. Hier wird durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Luft erhitzt, die sich hierdurch ausdehnt, und eine kräftige zusätzliche Volumen-Zunahme durch die Entstehung gasförmiger Verbrennungs-Produkte (Kohlendioxid und Wasserdampf) erreicht. Der Wirkungsgrad ist aber tendenziell auch nicht besser.
Moderne GuD-Anlagen nutzen den Brennstoff zwei Mal aus: Das noch recht heiße Abgas aus dem Motor oder der Gasturbine wird genutzt, um damit Wasser zu verdampfen und zusätzlich eine Dampfturbine anzutreiben. Damit lassen sich annähernd 56% Wirkungsgrad erreichen, doch das ist dann auch die absolute Spitze für Wärmekraftwerke und nur für große Anlagen praktikabel – dies allerdings nicht erst seit gestern, sondern bereits seit 1975.
Daraus erwuchs verständlicherweise der Wunsch, chemische Energie direkt in elektrische umzuwandeln, ohne erst Wärme und hieraus dann mechanische und dann elektrische Energie erzeugen zu müssen – durch eine so genannte kalte Verbrennung, etwa nach dem Vorbild des menschlichen Körpers. Auch dieser oxidiert brennbare Substanzen, ohne heißer als 37°C zu werden, und erzeugt daraus neben Wärme auch mechanische und sogar elektrische Energie, denn das Gehirn und das Nervensystem arbeiten letztlich elektrisch. Man erfinde also eine Maschine, die diesen Prozess nachmacht. Das tat man, und die Erfindung nennt sich heute Brennstoffzelle. Mit großem Optimismus und hohen Erwartungen wurde sie empfangen, doch nach gut 20 Jahren Entwicklungszeit steht sie immer noch »kurz vor der Marktreife«. Leider ist es bis heute nicht gelungen, eine praxistaugliche Brennstoffzelle zu bauen, die einen deutlich besseren elektrischen Wirkungsgrad aufweist als ein durch einen Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine angetriebener Generator.
Man sieht daher den Anwendungsbereich der Brennstoffzelle heute eher in der Kraft-Wärme-Kopplung als Alternative zum BHKW, um die Abwärme ebenfalls nutzen zu können, denn immerhin arbeitet sie sehr leise und erreicht bessere Abgaswerte.
Außerdem bedient sie bereits heute Nischenmärkte dort, wo ein Stromnetz fehlt.
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