Anwendungen und Produkte

Wärmekopplung
Brennstoffzelle

Wirkungsgrad im Vergleich

Typen von Brennstoffzellen

Wirkungsgrad im Vergleich zu Wärmekraftmaschinen

Versuche aus der Praxis

Verschiedene Brennstoffe

 

 

 

 

Brennstoffzelle

Der Entdecker

Die Entdeckung des Brennstoffzellen-Effektes geht auf Christian Friedrich Schönbein, der von 1829 bis 1868 Professor an der Universität Basel war, zurück. In einem Brief an den englischen Gelehrten Michael Faraday im Sommer 1838 erwähnt er Versuche, bei denen ein Elektrolyt elektrischen Strom erzeugt, ohne daß sich die Elektroden chemisch umwandeln (wie bei elektrischen Batterien sonst üblich).

Der Erfinder

Der Engländer William Robert Grove, Freund von Schönbein, deutet den Effekt im Februar 1839 als Umkehrung der Elektrolyse und erkennt das Potential, ihn zur Erzeugung elektrischer Energie zu verwenden. Von 1842 bis 1844 befaßt sich Grove intensiver mit der Brennstoffzelle, die er damals noch als Gasbatterie bezeichnet. Er schaltet Elemente in Serie, um die elektrische Leistung zu erhöhen.

 (*Quelle: Dr. Ulf Bossel, Fuel Cell Consultant, Morgenacherstr. 2F, CH-5452 Oberrohrdorf)

Ein langer Weg

Es dauerte mehr als hundert Jahre, bis Schönbeins Entdeckung bzw. Groves Erfindung in die Praxis umgesetzt wurde. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden Brennstoffzellen für Spezialanwendungen gebaut, unter anderem für die bemannte Raumfahrt. Heute wird allgemein angenommen, daß diese Technologie vor einem entscheidenden technischen und kommerziellen Durchbruch steht und die stationäre und mobile Energieversorgung des 21. Jahrhunderts revolutionieren wird.

 

Wirkungsgrad im Vergleich

In Brennstoffzellen wird die chemische Energie des Brennstoffes (i. a. gasförmig) auf direktem Wege in elektrische Energie umgewandelt. Damit läßt sich ein wesentlich höherer Wirkungsgrad erreichen als bei Verbrennungsmotoren. Zugrundelegendes Prinzip ist, die chemische Reaktion räumlich so zu trennen, daß der Ladungstransfer bei der Reaktion auch zu einer Ladungstrennung (= elektrische Spannungsdifferenz) führt. Eine Brennstoffzelle kann also als eine gasbetriebene elektrische Batterie bezeichnet werden. Das Medium, das anodischen und kathodischen Reaktionsraum voneinander trennt, ist der Elektrolyt. Er kann eine Flüssigkeit oder ein Festkörper sein, entscheidet also wesentlich über Bauform und Betriebstemperatur. Heute sind fünf Brennstoffzellentypen bekannt. Für eine spezifische Anwendung kann man sich also den am besten geeigneten Typ auswählen. Für den Gebrauch im häuslichen Bereich scheinen sich zwei Typen zu etablieren, die Polymermembran- oder Tieftemperatur-Brennstoffzelle (PEFC) und die Festoxid- oder Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC).

 

Typen von Brennstoffzellen

Welcher Elektrolyt in einer Brennstoffzelle verwendet wird, entscheidet über Art und Reinheit von Brennstoff und Oxidationsmittel,Betriebstemperatur,Bauweise.

Daher werden Brennstoffzellen durch ihren Elektrolyt charakterisiert. Die Anoden- und Kathodengasräume können durch feste oder flüssige Elektrolyte voneinander getrennt werden. Man kennt zur Zeit fünf verschiedene Typen von Brennstoffzellen (BZ).

Deutsche Bezeichnung / Englische Bezeichnung / Abkürzung

Alkalische BZ Alkaline Fuel Cell AFC
Polymermembran-BZ Polymer Electrolyte Fuel Cell PEFC (Markennamen "PEM")
Phosphorsaure BZ Phosphoric Acid Fuel Cell PAFC
Karbonatschmelze-BZ Molten Carbonate Fuel Cell MCFC
Festoxid- oder Hochtemperatur-BZ Solid Oxide Fuel Cell SOFC

Die Wahl des Elektrolyten beeinflußt Funktionsweise, Betriebstemperatur und Anforderungen an Brennstoff und Oxidationsmittel:

Typ

Brennstoff

Oxidationsmittel

Art der Ionenleitung durch Elektrolyt

Temperatur

AFC

H2 rein

Luft + H2O (ohne CO2)

OH-

70 °C

PEFC*

H2 rein

Luft (ohne CO)

H+

80 °C

PAFC

H2

Luft (ohne CO)

H+

200 °C

MCFC

CH4, H2,CO

Luft + CO2

CO3--

650 °C

SOFC

CH4, H2, CO

Luft

O--

700-1000 °C

 

Bei den Brennstoffzellen von Sulzer Hexis handelt es sich um den Typ SOFC. Deren großer Vorteil ist, daß der Ladungstransport durch Sauerstoffionen geschieht. Dies macht die Brennstoffaufbereitung einfacher als bei allen anderen Zellentypen bzw. gewährt größere Freiheiten bei der Wahl der Brennstoffe.

 

Wirkungsgrad im Vergleich zu Wärmekraftmaschinen

Bei der Bereitstellung elektrischer Energie mittels Wärmekraftmaschinen muß die Primärenergie (chemische Energie) mehrfach umgewandelt werden:

Chemische Energie Wärmeenergie mechanische Arbeit elektrische Energie.

Jede Umwandlung als solche ist mit Verlusten behaftet. Besonders kritisch aber ist der Schritt von der Wärmeenergie zur mechanischen Arbeit, die Aufgabe der Wärmekraftmaschine ist.

Die bestmögliche Wärmekraftmaschine wurde von Carnot (1796-1832) beschrieben. Sie basiert auf dem Kreisprozeß isotherme Expansion, adiabatische Expansion, isotherme Kompression, adiabatische Kompression zwischen Wärmespeichern mit hoher (T1) und niedriger Temperatur (T2). Der maximal erreichbare Wirkungsgrad ist das Verhältnis von gewonnener mechanischer Arbeit zur ursprünglich eingesetzten Wärmeenergie. Dies läßt sich auch durch die Temperaturen ausdrücken:

h = (T1 - T2 ) / T1

Der Carnot-Kreisprozeß basiert auf den Annahmen, daß es sich beim Medium in der Maschine um ein ideales Gas handelt und daß der gesamte Prozeß reversibel abläuft. In der Praxis sind aber weder diese Bedingungen erfüllt, noch handelt es sich um reine Carnot-Prozesse. Der angegebene Wirkungsgrad bleibt daher Theorie. Typische praktische Werte liegen zwischen 15% und 30%; bei optimierten Großanlagen um die 50%.

Brennstoffzellen hingegen erlauben die direkte Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie. Es gilt:

DG = DH - TDS

H (Reaktionsenthalpie) ist die gesamte chemische Energie, die aus dem Brennstoff gewonnen werden kann und G (freie Reaktionsenthalpie) ist der in der Brennstoffzelle nutzbare Anteil. Der aus T (Temperatur) und S (Entropiezunahme) bestehende Term TS beschreibt den kleinen, aber unvermeidlichen Energieverlust, der bei der Umwandlung von einer Energieform in eine andere entsteht. Der maximal erreichbare Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle ist folglich das Verhältnis von wirklich umgesetzter chemischer Energie G zur maximal verfügbaren chemischen Energie H:

h = DG / DH = 1- ( TDS / D H )

Erreichbare Wirkungsgrade liegen bei 60-70%. Dies zeigt das große Potential der Brennstoffzellen zur effizienteren Energienutzung, im Vergleich zu Wärmekraftmaschinen, auf.

Ein Hexis-Zellenstapel wird in ein Gerät integriert, dessen prinzipielle Funktionsweise dargestellt ist. In einem Isoliergefäß befinden sich neben dem Stapel der Reformer sowie eine Zusatzheizung zum Anfahren der Anlage. Der Brennstoff durchströmt die Zellen von innen nach außen. Wird als Brennstoff Erdgas verwendet, so reicht der normale Leitungsdruck zum Betrieb aus. Die Luft, Träger des Sauerstoffs, wird zunächst im Gegenstrom in die in die Stromsammler integrierten Wärmetauscher eingeblasen, um dann nach außen zu strömen. Das Abgas wird über Wärmetauscher abgeführt. Der vom Brennstoffzellenstapel erzeugte Gleichstrom wird über einen Inverter ins Leitungsnetz gespeist.

 

Versuchsbetrieb mit Deponiegas Erste Schlussfolgerungen

Im Rahmen eines Sulzer-Konzernprojekts wurden Funktionsmuster eines Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems mit einer elektrischen Leistung von 1 kW entwickelt. Ein solches System kann, angeschlossen an das Erdgasnetz, den Grundbedarf eines Haushaltes an elektrischer Energie und einen Teil des Wärmebedarfs (bis 3 kW) decken. Momentan nicht benötigte Abwärme wird in einen Warmwasserspeicher abgeführt, zusätzlich benötigte Wärme wird einem Zusatzbrenner entnommen. Mit Versuchssystemen wurden bisher die folgenden Erfahrungen gemacht.

Labor-Langzeitversuch

Ein Teststapel lief 1997-98 mehr als 12‘000 Stunden unter kontrollierten Laborbedingungen mit H2 als Brennstoff. Alle Komponenten erfüllen die Anforderungen hervorragend. Der Leistungsabfall infolge Alterung war unerheblich. Der elektrische Wirkungsgrad betrug 35%.

Feldversuch Winterthur

Ein erstes Feldversuchssystem verließ das Labor im Mai 1997 und wurde bei den Städtischen Werken Winterthur installiert. Diese Anlage ist über Modem und Telefonleitung vollständig fernsteuerbar und wird mit Erdgas betrieben. Sie wurde zunächst dafür genutzt, verschiedene Brennstoffzellenentwicklungen unter Praxisbedingungen zu testen. Mit einem Stapel konnten im Juli 1998 erstmals mehr als 1 kW ins elektrische Netz eingespeist werden.

Technische Daten des Stapels

Durchmesser 120 mm
Höhe 518 mm
Anzahl Zellen 70
Gesamte Zellenfläche 0.7 m2
Betriebstemperatur 950 °C
Stapelspannung 39 V
Zellenstrom 27 A
Elektrische Leistung 1053 W

Feldversuch Dortmund

Ein zweites Feldversuchssystem lief seit September 1997 bei der deutschen Dortmunder Energie- und Wasserversorgung GmbH (DEW). Die installierten Brennstoffzellenstapel wurden mit Erdgas aus dem Niederdruck-Gasnetz der DEW betrieben. Das Gerät war ebenfalls vollständig fernsteuerbar, konnte also vom Schreibtisch in Winterthur aus kontrolliert und beeinflußt werden. Die Anlage wurde 1998 nach Abschluß der Versuche demontiert. Ziel zukünftiger Versuche in Dortmund wird es sein, die Möglichkeiten der Integration eines Hexis-Systems in die reale Infrastruktur eines Einfamilienhauses zu studieren.

Versuchsbetrieb mit Deponiegas

Im Oktober 1997 wurde nachgewiesen, daß Hexis-Zellen auch mit Deponiegas betrieben werden können.

Versuchsbetrieb mit Heizöl

Im Juli 1998 wurden im Hexis-Labor Zellen erfolgreich mit Heizöl betrieben. In einem separaten Projekt werden Konzeption und Realisation eines Heizölreformers weiterverfolgt.

Erste Schlußfolgerungen

Damit konnte folgendes in dieser frühen Phase gezeigt werden:

Stabilität der thermisch hoch belasteten Zellenmaterialien
erfolgreiche Systemintegration
Betrieb mit verschiedenen Brennstoffen.
Pilotanlagen für Langzeit-Praxistests

Die mit den ersten Feldversuchsgeräten in Winterthur und Dortmund gewonnen Erfahrungen flossen maßgeblich in die Entwicklungen von Feldtestanlagen für Langzeitversuche ein. Dank höherer Integrationsdichte und konstruktiver Vereinfachungen konnten die Abmessungen der Feldtestanlagen drastisch reduziert werden.

Im Herbst 1998 wurden vier Anlagen für dreijährige Testläufe installiert. Im Herbst 1999 folgen drei weitere Anlagen für zweijährige Versuche.

Interessenten sind vor allem Energieversorgungsunternehmen, die die kommerziellen Möglichkeiten dezentraler Energiedienstleistung mit Hexis-Systemen evaluieren. Sie übernehmen einen großen Anteil der Kosten für den Langzeitversuch und räumen damit Sulzer Hexis die Freiheit ein, eigene Ressourcen ausschließlich für die Produktentwicklung nutzen zu können.

Feldtestpartner Ort Charakterisierung

Dortmunder Energie- und Wasserversorgung GmbH www.dew.de
Dortmund, Deutschland Regionales Energieversorgungsunternehmen (Partner seit 1994)
Städtische Werke Winterthur www.stadt-winterthur.ch/stww
Winterthur, Schweiz Regionales Energieversorgungsunternehmen (Partner seit 1997)
Amt für Umwelt und Energie www.bs.ch/bd/aue.htm
Basel, Schweiz Innovative Behörde (Feldtest 1998-2001)
EWE AG www.ewe.de
Oldenburg, Deutschland Regionales Energieversorgungsunternehmen (Feldtest 1998-2001)
Thyssengas GmbH www.thyssengas.de
Duisburg, Deutschland Überregionales Gasversorgungsunternehmen (Feldtest 1998-2001)
Tokyo Gas Co. Ltd. www.tokyo-gas.co.jp
Tokyo, Japan Regionales Gasversorgungsunternehmen (Feldtest 1998-2001)
Sociedad de gas de Euskadi, S.A. www.naturgas.es
Bilbao, Spanien Regionales Gasversorgungsunternehmen (Feldtest 1999-2001)

 

Verschiedene Brennstoffe

Ein Vorteil der Hexis-Brennstoffzelle ist die große Flexibilität bei der Brennstoffwahl. Ein Projekt, das an dieser Stelle vorgestellt werden soll, hat zum Ziel, möglichst viele verschiedene Brennstoffe für Hexis zu erschließen unter Beibehaltung des Brennstoffzellenstapels (Standardkomponente). Dies wird durch eine vorgeschaltete, dem jeweiligen Brennstoff angepaßte Stufe (Brennstoffaufbereitung) erreicht.

Herz der Brennstoffaufbereitung ist der Reformer. Er wird bei Sulzer Hexis konzipiert und gebaut. Für die Reformierung ist Wärme erforderlich, die dem Abgas des Brennstoffzellenstapels entnommen wird. Das hohe Temperaturniveau der Hexis-Brennstoffzelle ist hierbei von Vorteil.

Parallel zu den Feldtests wird die Entwicklung von Prototypen vorangetrieben. Das erste kommerziell erhältliche Gerät wird im Jahr 2001 verfügbar sein und sich durch Zuverlässigkeit, Robustheit und Flexibilität in der Betriebsweise auszeichnen. Es wird parallel zum Stromnetz, das den Spitzenbedarf deckt, betrieben.

Eine Hexis-Standardvariante wird auf den Betrieb mit Erdgas ausgelegt sein, aber es wird zukünftig auch Geräte geben, die mit anderen Brennstoffen betrieben werden können. Die elektrische Leistung wird etwa 1 kW betragen bei einem elektrischen Wirkungsgrad von etwa 30% bei voller Last und 40% im Teillastbereich. Der Gesamtwirkungsgrad dürfte bei etwa 90% liegen. Bis zu etwa 3 kW thermische Energie wird auskoppelbar sein; darüber hinaus benötigte Wärme wird über einen Zusatzbrenner geliefert. Ein Warmwasserspeicher erlaubt, momentan nicht benötigte Abwärme für die spätere Verwendung zu speichern.

Vertriebspartner in der Einführungsphase werden ausschließlich Energieversorgungsunternehmen sein. Diese erwerben die Hexis-Anlage und stellen sie interessierten Kunden zur Verfügung (Contracting).

 

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