Stromversorgung mit Brennstoffzellen – Nachhaltige Energie für die Industrie

Die Industrie steht heute unter großem Druck: Einerseits steigen die Anforderungen an die Versorgungssicherheit, andererseits wächst der Druck zur Dekarbonisierung. Unternehmen müssen Strom nicht nur zuverlässig, sondern auch wirtschaftlich und nachhaltig bereitstellen. Brennstoffzellen rücken dabei zunehmend in den Fokus. Sie ermöglichen die kontinuierliche Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad und minimalen Emissionen. Ihre Vorteile reichen vom sicheren Notstrom über den effizienten Dauerbetrieb bis hin zur Integration in komplexe Energiesysteme wie Microgrids.

Nationale Klimaziele und politische Strategien – wie sie etwa durch die Bundesregierung oder das Umweltbundesamt formuliert werden – setzen klare Rahmenbedingungen für die Rolle von Wasserstoff und Brennstoffzellen in der Energiepolitik. Unternehmen profitieren, wenn sie ihre Projekte im Einklang mit diesen Vorgaben planen.

Auch die systemische Dimension ist entscheidend: Wasserstofftechnologien leisten nicht nur einen Beitrag zur Stromversorgung, sondern können Wärme, industrielle Prozesse und Sektorkopplung abdecken. So lassen sich Brennstoffzellen in ein ganzheitliches Energiesystem einbinden, das Resilienz und Dekarbonisierung zugleich stärkt.

Was ist eine Brennstoffzelle und wie funktioniert sie?

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler. Sie erzeugt Strom, indem sie die chemische Energie von Wasserstoff oder reformierten Kohlenwasserstoffen direkt in elektrische Energie umsetzt. Im Gegensatz zu Verbrennungsprozessen entsteht dabei kaum Lärm, keine klassischen Abgase und nur geringe Mengen an CO₂ – sofern der eingesetzte Brennstoff nicht fossiler Herkunft ist. Zusätzlich wird Wärme frei, die in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen genutzt werden kann. Brennstoff und Sauerstoff reagieren an einer Membran oder einem Elektrolyten miteinander, wobei Elektronen freigesetzt werden.

Brennstoffzellen-Technologien im Vergleich

PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

PEM-Brennstoffzellen arbeiten bei niedriger Betriebstemperatur und reagieren schnell auf Laständerungen. Sie starten in kurzer Zeit, liefern konstante Leistung und sind besonders als Ersatzstromquelle oder in Systemen mit schwankenden Lastprofilen gefragt. Ihre größte Herausforderung ist die Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen im Brennstoff.

SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

SOFC-Systeme arbeiten bei hohen Temperaturen und erreichen elektrische Wirkungsgrade von über 60 %. In Kombination mit Wärmenutzung lassen sich Gesamtwirkungsgrade von bis zu 85 % erzielen. Sie können sowohl mit Wasserstoff als auch mit Erdgas oder Biogas betrieben werden. Diese Flexibilität macht sie für die Industrie interessant.

MCFC und PAFC

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) und Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) sind für den großskaligen Einsatz prädestiniert. Sie tolerieren unterschiedliche Brennstoffqualitäten und bieten stabile Leistung im Megawattbereich.

Anwendungen in der Industrie

Brennstoffzellen eröffnen neue Wege der Energieversorgung:

• Dauerstromversorgung in energieintensiven Betrieben
• Notstrom/USV in Rechenzentren und kritischen Infrastrukturen
• Peak Shaving zur Reduzierung von Lastspitzen
• Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zur gleichzeitigen Nutzung von Strom und Abwärme
• Microgrids und energieautarke Standorte

Vorteile & Wirtschaftlichkeit

• Hohe elektrische Wirkungsgrade senken Betriebskosten
• Lokale Emissionen sind minimal – insbesondere bei Wasserstoffbetrieb
• Geräuscharmer, vibrationsfreier Betrieb
• Modulare Skalierbarkeit
• Geringerer Wartungsaufwand im Vergleich zu Dieselaggregaten

Die Wirtschaftlichkeit hängt von Faktoren wie Brennstoffkosten, Betriebsstunden und Wärmenutzung ab. Während reine Notstromanlagen längere Amortisationszeiten aufweisen, sind kontinuierlich betriebene Systeme mit KWK oft nach 5–10 Jahren wirtschaftlich.

Brennstoffe & Versorgung

Heute werden Brennstoffzellen meist mit Erdgas oder reformiertem Gas betrieben. Zunehmend stehen Konzepte mit Biogas oder Methanol im Fokus. Grüner Wasserstoff gilt als Zielperspektive: Mit dem Aufbau von Wasserstoffnetzen in Deutschland und Europa wird die Verfügbarkeit in den kommenden Jahren steigen.

Planung, Normen & Genehmigung

Der Einsatz von Brennstoffzellen erfordert eine sorgfältige Planung. Dazu zählen Standortanalysen, Sicherheitskonzepte und die Einhaltung gesetzlicher Vorgaben. Leitfäden wie der Planungsleitfaden des Clean Power Net (CPN) geben Orientierung. Zu beachten sind Aspekte wie Explosionsschutz, Belüftung, Brandschutz und Netzanschluss.

Vergleich mit Dieselgeneratoren und Batteriespeichern

Dieselgeneratoren gelten als Standardlösung für Ersatzstrom, haben jedoch Nachteile: hohe Emissionen, laute Betriebsweise und hoher Wartungsaufwand. Brennstoffzellen bieten eine leise, saubere und zuverlässige Alternative. Gegenüber Batteriespeichern punkten sie mit langen Autonomiezeiten, sind jedoch von Brennstofflogistik abhängig. Hybride Systeme kombinieren die Stärken beider Technologien.

Markttrends & Zukunft

Der Markt für stationäre Brennstoffzellen wächst. Immer mehr Hersteller bieten Systeme im Bereich 50–200 kW an, die sich modular erweitern lassen. Rechenzentren, Krankenhäuser und produzierende Betriebe gehören zu den Treibern dieser Entwicklung. Parallel schreitet der Ausbau der Wasserstoffwirtschaft voran, was langfristig die Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit verbessert. Aktuelle Studien zeigen, dass bis 2030 mehrere Gigawatt an Leistung in Europa installiert sein könnten.

FAQ

Was ist der typische Wirkungsgrad einer SOFC?
Elektrische Wirkungsgrade von über 60 %, mit KWK bis zu 85 %.

Für welche Leistungsklassen eignen sich Brennstoffzellen in der Industrie?
Von dezentralen Anlagen ab rund 10 kW bis zu Großsystemen im Megawattbereich.

Welche Brennstoffe können genutzt werden?
Wasserstoff, Erdgas, Biogas und Methanol.

Welche Normen sind zu beachten?
Neben internationalen Standards sind in Deutschland u. a. der CPN-Planungsleitfaden sowie nationale Sicherheits- und Umweltstandards relevant.

Wie schnell amortisieren sich Investitionen?
Zwischen 5 und 10 Jahren, abhängig von Betriebsstunden, Energiekosten und Wärmenutzung.

Sind Brennstoffzellen für bestehende Anlagen nachrüstbar?
Ja, viele Systeme sind modular ausgelegt und lassen sich in bestehende Energieinfrastrukturen integrieren.

Checkliste für die Projektierung

• Lastprofil und Energiebedarf ermitteln
• Einsatzzweck definieren: Dauerbetrieb, Notstrom oder Hybrid
• Wärmenutzungspotenzial prüfen
• Brennstoffversorgung sichern
• Aufstellungsort und Sicherheitsmaßnahmen festlegen
• Netzanschluss und Integration klären
• Wartungskonzepte berücksichtigen
• Wirtschaftlichkeitsrechnung und CO₂-Einsparungen kalkulieren
• Förderprogramme prüfen

Brennstoffzellen sind für die Industrie eine zukunftssichere Option, Strom nachhaltig, effizient und zuverlässig zu erzeugen. Sie bieten eine Alternative zu Dieselaggregaten und eröffnen Chancen in Kombination mit erneuerbaren Energien. Besonders bei hohem Bedarf an kontinuierlicher Energieversorgung, in kritischen Infrastrukturen oder in Produktionsstätten mit hohem Wärmebedarf zeigen sie ihre Stärken. Mit dem Fortschreiten der Wasserstoffinfrastruktur und politischer Unterstützung wird ihre Bedeutung in den kommenden Jahren weiter steigen.