Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 9.2

Teil 9.2 | Effizienz von Brennstoffzellen

Allen WĂ€rmekraftmaschinen sind thermodynamische Grenzen gesetzt. Verbrennungsmotoren und thermische Kraftwerke beispielsweise arbeiten nach dem Carnot’schen Gesetz. Dieses besagt: Je höher die Betriebstemperatur, desto höher der mögliche elektrische Wirkungsgrad.

Moderne Gasturbinen haben Eintrittstemperaturen um 1.600 °C und Austrittstemperaturen um 650 °C, was nach Carnot einen idealen Wirkungsgrad von etwa 50 Prozent ermöglichen wĂŒrde. Doch in der Praxis kann kein Verbrennungsmotor den Carnot’schen Wirkungsgrad tatsĂ€chlich erreichen, da der Carnot’sche Kreisprozess lediglich ein idealer Grenzfall ist. Praktisch sind mit Gasturbinen Wirkungsgrade um 35 bis 40 Prozent möglich. Durch Hintereinanderschalten mehrerer Gas- und Dampfturbinen (GuD-Kraftwerke) sind auch Wirkungsgrade von mehr als 60 Prozent erreichbar.

Aufgrund physikalischer und thermodynamischer BeschrĂ€nkungen erreichen die meisten kleinen und mittleren Stromerzeuger lediglich elektrische Wirkungsgrade von 25 bis 30 Prozent. StationĂ€re Dieselaggregate und Ă€ltere Kraftwerke erreichen Werte von rund 40 Prozent. Fahrzeugmotoren bringen gar nur etwa 18 Prozent der Treibstoffenergie vom Motor ĂŒber Kupplung und Getriebe bis auf die Fahrbahn.

FĂŒr Brennstoffzellen gilt der Gibbs-Helmholtz-Wirkungsgrad:

Dabei sind die Reaktionsenthalpie (Bildungsenthalpie) und die Bildungsentropie StoffgrĂ¶ĂŸen, deren Wert zum Beispiel fĂŒr die Bildung von Wasser aus Tabellen entnommen werden kann. Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung ergibt also einen mit abnehmender Temperatur steigenden theoretischen Wirkungsgrad. Zwar gibt es auch hier Grenzen, aber diese bieten einen wesentlich grĂ¶ĂŸeren Spielraum fĂŒr die Optimierung. Je nach Betriebstemperatur (s. Abb. 37) können theoretische Wirkungsgrade von ĂŒber 80 Prozent, bezogen auf den oberen Heizwert, erzielt werden.

Abb. 37: Wirkungsgradvergleich: Carnot vs. Gibbs-Helmholtz
s. 2. Auflage, S. 140, Abb. 34
Quelle: Fraunhofer ISE

Dies ist allerdings wie der CarnotÂŽsche Wirkungsgrad lediglich ein theoretischer Wert. Reale Brennstoffzellen erreichen zum Teil elektrische Wirkungsgrade von mehr als 60 Prozent, der Wirkungsgrad von Brennstoffzellenfahrzeugen (gas to wheel) liegt bei rund 40 Prozent.

Ursachen fĂŒr Verluste sind bei Brennstoffzellen:

  • elektrischer Widerstand (Ohmsche Verluste) an den Elektroden, Bipolarplatten und Elektronenleitern
  • eingeschrĂ€nkter GrenzflĂ€chendurchgang zwischen Elektrolyt und Elektrode (Ladungsverluste)
  • eingeschrĂ€nkter Stofftransport (Coulombsche Reibung, Diffusionsrate)
  • ungeeignete Materialwahl der Elektroden und Katalysatoren
  • UmgebungseinflĂŒsse (zu niedrige Temperatur)
  • Eigenenergiebedarf angeschlossener Komponenten (Peripherie)

Selbst kleine Brennstoffzellen können Wirkungsgrade besitzen, die bisher nur bei großen stationĂ€ren Kombikraftwerken möglich waren. Den höchsten Wirkungsgrad erzielen Brennstoffzellen im Leistungsbereich zwischen 40 und 60 Prozent der Volllast. Dies ist besonders vorteilhaft im Fahrzeugbereich, weil insbesondere in der Stadt relativ selten im Nennbereich mit hoher Drehzahl, hĂ€ufig jedoch im Teillastbereich gefahren wird. Ist die Belastung der Brennstoffzelle jedoch zu gering, nimmt der Wirkungsgrad ab, weil die Verluste der Nebenaggregate im VerhĂ€ltnis ansteigen. Bei höherer Last sinkt die Effizienz nur unwesentlich ab.

Zum Wirkungsgradbegriff muss ergĂ€nzt werden, dass hier lediglich vom elektrischen Wirkungsgrad die Rede ist. Der Rest der zugefĂŒhrten Energie ist natĂŒrlich nicht verloren, sondern wird in WĂ€rme umgewandelt. Wird die thermische Energie genutzt, sind Gesamtwirkungsgrade ĂŒber 90 Prozent möglich. Bei den meisten Anwendungen ist es aber erwĂŒnscht, einen möglichst großen Teil der Energie in Form von Strom nutzbar zu machen.

Ein besonderer Vorteil der Brennstoffzelle ist daher die hohe Stromkennzahl. Die Stromkennzahl gibt das EnergiemengenverhĂ€ltnis der erzeugten ElektrizitĂ€t zur produzierten WĂ€rme an. Da Strom als höherwertige Energieform im Vergleich zu WĂ€rme eingestuft wird, ist hier eine höhere Kennzahl von Vorteil. Konventionelle Aggregate, auch Blockheizkraftwerke, erzeugen im Allgemeinen relativ viel AbwĂ€rme. Diese thermische Energie kann jedoch je nach Temperaturniveau nur fĂŒr bestimmte Anwendungen genutzt werden, zum Beispiel zum Heizen von GebĂ€uden. Die Brennstoffzelle hingegen produziert viel Strom und nur geringe Mengen thermischer Energie, so dass sie im direkten Vergleich besser dasteht.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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