Zu Hause sauber Strom und Wärme erzeugen
Mein Haus, mein Auto, mein Kraftwerk. Wenn die Entwicklung effizienter Energietechnologien weiter so rasant voranschreitet, können klimaschutzbewusste Hausbesitzer bald einen weiteren Trumpf aus dem Ärmel ziehen: ein Foto vom eigenen Kraftwerk im Keller. Effizient Strom und Wärme klimaverträglich selbst zu produzieren – möglich macht dies die Brennstoffzelle im heimischen Heizungskeller. Energiespender für die Powerpakete der Zukunft ist Wasserstoff, der sich in der Zelle mit Sauerstoff verbindet und dabei Elektrizität und Wärme erzeugt. Und dies mit besonders hohem Wirkungsgrad und ohne schädliche Emissionen. Erste Geräte sind bereits in der Erprobung.
Brennstoffzellen haben das Potenzial, viele Energieprobleme sauber zu lösen. Es gibt sie in verschiedenen Größen, was sie vielfältig einsetzbar macht. Sie können einzelne Häuser oder ganze Wohnblocks mit Elektrizität und Wärme versorgen oder als spritunabhängige Alternative ein Auto antreiben. Ein paar Nummern kleiner verlängert die neue Technik die Laufzeiten von Handys und Notebooks. Die Brennstoffzelle ist für viele Szenarien eine Option für die Zukunft.
Katalysatoren machen im Minikraftwerk Power
Während bei fossilen Energieträgern wie Kohle und Gas erst Wärme in Form von Wasserdampf erzeugt werden muss, um dann über einen Generator Strom produzieren zu können, nimmt die Brennstoffzelle keine Umwege: Sie wandelt Wasserstoff chemisch direkt in Strom um – ohne erst Wärme erzeugen zu müssen. Möglich machen das Katalysatoren. Das sind Substanzen, mit deren Hilfe die Chemie Stoffumwandlungen einleitet, beschleunigt und steuert (s. auch „Katalytische Verfahren“).
In der Brennstoffzelle sorgen die Katalysatoren für die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Dieser Prozess findet in der Zelle statt, die aus einem Plus-, einem Minuspol und zwei durch eine Membran getrennten Kammern besteht. Am Minuspol wird Wasserstoff und auf der Gegenseite Sauerstoff zugeführt. Der Minuspol ist mit einem Katalysator beschichtet, z. B. Platin, der den Wasserstoff in positiv (Protonen) und negativ geladene Teilchen (Elektronen) aufspaltet. Die Protonen wandern durch die Membran zum Sauerstoff, während die Elektronen zunächst am Minuspol hängen bleiben. Legt man nun an beide Pole einen Leiter, nutzen die Elektronen diese Verbindung, um sich ebenfalls auf den Weg zur anderen Seite zu machen: Es fließt elektrischer Strom – und durch den Prozess entsteht auch Wärme. Diese ist hier ein Nebenprodukt, das man gleich zum Heizen verwenden kann. Ein weiterer Vorteil: Der Prozess ist sauber. Denn der am Pluspol zugeführte Sauerstoff verbindet sich mit den Elektronen und Protonen des Wasserstoffs. Als „Abfallprodukt“ entsteht reines Wasser.
Der Verbraucher wird zum Stromdirektor
Zahlreiche Brennstoffzellen zur Energieversorgung von Wohn- und Gewerbegebäuden befinden sich zurzeit im Alltagstest. Noch wird es allerdings einige Jahre dauern, bis die Prozesse in diesen „stationären“ Anwendungen marktreif sind. Grund dafür sind vor allem die Kosten des Systems und die Materialeigenschaften der Membran.
Ungelöst ist noch ein weiteres Problem: Wasserstoff in reiner Form in großen Mengen herzustellen, ist sehr energieaufwändig. Bis sich dieser Energieträger günstig und umweltverträglich beispielsweise aus Sonnen- und Windenergie produzieren lässt, wird diese zukunftsweisende Technologie mit Erdgas betrieben. Mittels Katalysatoren wird der Wasserstoff aus dem Erdgas herausgelöst, um ihn der Brennstoffzelle verfügbar zu machen.
Fernziel ist jedoch, die Brennstoffzellen direkt mit Wasserstoff zu versorgen. Dafür arbeitet die Chemie intensiv an neuen Katalysatoren und an effizienten Wegen, Wasser zu spalten. Auch die Verbesserung der Materialien für die Membran – zum Beispiel durch Nanoschichten – hat sich die Chemie zur Aufgabe gemacht. Gelingt es, diese Probleme zu lösen, könnte der Verbraucher schon bald sein eigener Stromdirektor sein – mit der Zentrale im heimischen Keller.