Wirkungsgrad und Technologien der Brennstoffzelle

Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle, der die Umwandlung von Primärenergie in elektrische und Wärmeenergie beschreibt. Er ergibt sich aus der Summe des thermischen und elektrischen Wirkungsgrades.

Die Energiemenge, die benötigt wird, um eine bestimmte Menge an Wärme- und elektrischer Energie zu erzeugen. Sie berücksichtigt dabei die Verluste, die bei der Umwandlung der Primärenergie auftreten.

Ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie, bei dem beide Energieformen getrennt voneinander erzeugt werden. Ein Beispiel hierfür ist ein Kondensationskraftwerk, das elektrische Energie produziert, und ein Gasbrennwertgerät, das Wärme erzeugt.

Ein Kraftwerk, das mit Erdgas betrieben wird und dabei hauptsächlich elektrische Energie erzeugt. Die dabei entstehende Wärme wird nicht genutzt.

Die Effizienz, mit der ein Gasbrennwertgerät thermische Energie aus Erdgas erzeugen kann.

Die Effizienz, mit der ein Kondensationskraftwerk elektrische Energie aus Primärenergie erzeugt. Sie wird als Verhältnis des erzeugten Stroms zum eingesetzten Primärenergieinput berechnet.

Verluste, die bei der Übertragung von elektrischer Energie vom Kraftwerk zum Endverbraucher auftreten. Sie entstehen durch Widerstand in den Leitungen.

Ein System, das gleichzeitig elektrische Energie und Wärmeenergie aus Brennstoffen wie Erdgas erzeugt. Die Brennstoffzelle spielt dabei die entscheidende Rolle.

Eine Brennstoffzelle, die bei niedrigen Temperaturen arbeitet und Wasserstoff und Sauerstoff verwendet, um Energie zu erzeugen.

Eine verbreitete Brennstoffzelle, die bei mittleren Temperaturen arbeitet und Phosphorsäure als Elektrolyt verwendet.

Eine Brennstoffzelle, die bei niedrigen Temperaturen arbeitet und Protonen durch eine Membran leitet.

Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die geschmolzene Carbonate als Elektrolyt verwendet.

Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die feste Oxidyten als Elektrolyt verwendet.

Die Brennstoffzelle spielt eine wichtige Rolle im Verkehrssektor und dient als Alternative zum Verbrennungsmotor und Batteriefahrzeugen.

Brennstoffzellenfahrzeuge bieten im Vergleich zu batteriebetriebenen Fahrzeugen eine höhere Energiedichte und Reichweite.

Der Gesamtwirkungsgrad der Energiebereitstellungskette bei Brennstoffzellenfahrzeugen ist geringer als bei batteriebetriebenen Fahrzeugen.

Die Effizienz einer Anlage hängt von Faktoren wie dem Einsatzbereich und den Rahmenbedingungen ab.

Stirling-Motoren und ORC-Prozesse eignen sich ideal für die Verwertung von Niedrigtemperatur-Wärme, da sie im unteren Bereich der Wirkungsgradskala liegen.

Kalorische Kraftwerksprozesse wie Dampfturbinen oder GuD-Kraftwerke benötigen hochwertige Brennstoffe (z.B. fossile Brennstoffe) für ihren Betrieb.

Größere Anlagen können komplexere Prozessabläufe und Verschaltungsarten umsetzen, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt.

Komponenten in größeren Anlagen (z.B. Dampfturbinen) erzielen eine bessere Effizienz, da die spezifischen Wirkungsgrade in einem höheren Bereich liegen.

Der Trend ist, dass bei höheren Leistungsklassen in der Regel auch bessere Wirkungsgrade erzielt werden.

Brennstoffzellen können schon bei niedrigen Leistungsklassen akzeptable Wirkungsgrade erzielen.

Brennstoffzellen wandeln Brennstoff direkt in elektrische Energie um, ohne einen thermodynamischen Kreisprozess.

Der Bereich von Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) reicht von kleinen Anwendungen im einstelligen kW-Bereich bis zu größeren Anlagen mit bis zu 2 MW.

Die in Verbrennungsmotoren erzeugte mechanische Energie wird in Generatoren in elektrische Energie umgewandelt.

Typische Anwendungsgebiete für KWK-Anlagen sind die Energieversorgung von Gebäuden (Blockheizkraftwerke), die Nutzung von Gasmotoren in Biogasanlagen und der Einsatz in Kraftwerken mit Biomassevergasung.

Der elektrische Wirkungsgrad von KWK-Aggregaten steigt mit zunehmender Leistung. Motoren mit Gas- oder Dieselaggregaten haben einen höheren elektrischen Wirkungsgrad als Ottomotoren.

Der thermische Wirkungsgrad von KWK-Aggregaten sinkt mit zunehmender Leistung, da bei höherem elektrischem Wirkungsgrad weniger Abwärme zur Verfügung steht.

Der Gesamtwirkungsgrad von KWK-Aggregaten ergibt sich aus der Summe des elektrischen und des thermischen Wirkungsgrades.

Die Abwärme aus Verbrennungsmotoren fällt auf unterschiedlichen Temperaturniveaus an. Sie kann zur Dampferzeugung oder für ORC-Prozesse (Organic Rankine Cycle) genutzt werden.

Ein Nutzungskonzept für Niedertemperaturwärme in KWK-Anlagen ist die Nutzung der Abwärme aus der Schmierölkühlung und dem Kühlwasser, die unter 90°C liegt.

Brennstoffzellen, die bei niedrigen Temperaturen zwischen 0°C und 80°C betrieben werden.

Alkalische Brennstoffzellen (AFC) sind ein Typ von Brennstoffzellen, die bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Sie verwenden eine alkalische Elektrolytlösung, typischerweise eine Kaliumhydroxid-Lösung.

Protonenleitende Brennstoffzellen (PEMFC) oder Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) sind ein weiterer Typ von Brennstoffzellen, die bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Sie verwenden einen protonenleitenden Polymer-Elektrolyten, der typischerweise eine dünne Membran aus einer protonenleitenden Polymerfolie ist.

Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) sind ein Typ von Brennstoffzellen, die bei mittleren Temperaturen zwischen 150°C und 200°C betrieben werden. Sie verwenden eine konzentrierte Phosphorsäure als Elektrolyt.

Brennstoffzellen, die bei hohen Temperaturen zwischen 650°C und 1.000°C betrieben werden.

Karbonatschmelze-Brennstoffzellen (MCFC) sind ein Typ von Brennstoffzellen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden. Sie verwenden ein geschmolzenes Carbonat-Salz als Elektrolyt.

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) sind ein weiterer Typ von Brennstoffzellen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden. Sie verwenden einen festen Keramikelektrolyten, der typischerweise aus einer Cer- oder Yttriumoxid-Verbindung besteht.

Der Reaktionsmechanismus einer Brennstoffzelle, der die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zur Erzeugung von Strom beschreibt.

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist eine Technologie, welche die Abwärme aus der Stromerzeugung nutzt, um zusätzlich Wärmeenergie zu erzeugen. Dadurch erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad des Prozesses.

Der Kondensationsbetrieb ist eine Betriebsart von Dampfkraftwerken, die auf die Maximierung des elektrischen Wirkungsgrades ausgelegt ist. Dabei wird der Dampf in der Turbine auf ein möglichst niedriges Druckniveau expandiert, um die maximale Energiegewinnung zu erreichen.

Der Abdampf aus der Turbine wird in einem Kondensator abgekühlt, wodurch ein niedriger Kondensatordruck entsteht, der für einen hohen elektrischen Wirkungsgrad sorgt.

Der Gegendruckbetrieb ist eine Betriebsart von Dampfkraftwerken, die neben Strom auch Wärmeenergie erzeugt. Dabei wird der Dampf nicht vollständig in der Turbine expandiert, sondern nur bis zu einem bestimmten Druckniveau, damit der Abdampf noch eine nutzbare Temperatur für die Wärmenutzung besitzt.

Im Gegendruckbetrieb wird der Abdampf der Turbine direkt genutzt, um Wärmeenergie in einem angeschlossenen Wärmenetz bereitzustellen.

Die im Kondensator anfallende Kondensationswärme ist aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus meist unwirtschaftlich nutzbar. Sie wird in der Regel an die Umgebung (Luft oder Wasser) abgegeben.

Im Kondensationsbetrieb erreicht man einen höheren elektrischen Wirkungsgrad, der typischerweise im Bereich zwischen 25 und 45% liegt.

Die Wahl des Betriebsmodus, Kondensations- oder Gegendruckbetrieb, hängt von den Bedürfnissen der jeweiligen Anlage und der Verfügbarkeit von Wärmenutzungen ab.