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Eine Brücke zu regenerativer Energie schlagen

Brennstoffzellen: Revolution in der Energiewirtschaft
Eine Brücke zu regenerativer Energie schlagen

Nach dem eingesetzten Elektrolyten werden die Brennstoffzellen unterschieden, deren Betriebstemperatur variiert
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Es tut sich was bei Brennstoffzellen, denn sie bieten durch neue Entwicklungen für Industrieunternehmen interessante Perspektiven bei der Stromversorgung. Brennstoffzellen in Kombination mit Wasserstoff sind die Energiebringer der Zukunft.

Börsennotierte Brennstoffzellen-Produzenten wie die kanadische Ballard Power Systems aus Burnaby, H-Power aus Belleville/USA, Ida-Tech, Oregon/USA, oder DCH Technology, Valencisa/USA, demonstrieren auf der Hannover Messe in Halle 13, Stand F50, die gesamte Wertschöpfungskette dieser Zukunftstechnologie.

Die marktreifen Produkte reichen vom Laptop bis zum großen Heizkraftwerk. Auch Unternehmen wie Hamburg Gas Consult und Plug Power Inc. aus Latham/USA informieren dort über die Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff für schadstofffreie Heizungen mit kombinierter Stromerzeugung im Haushalt. Führende europäische Forschungseinrichtungen zeigen Perspektiven auf, wie die umweltfreundlichen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie genutzt, intensiviert und ausgedehnt werden kann. Der Grund: Die Vorteile von Brennstoffzellen (FC/Fuel Cell) wie ihre hohen elektrischen Wirkungsgradpotenziale bei praktisch zu vernachlässigenden Emissionen heben sie deutlich von anderen Technologien zur Energie-umwandlung ab.
Dabei werden die einzelnen Typen nach dem eingesetzten Elektrolyten unterschieden, der die Arbeitstemperatur der Zelle bestimmt. Beginnend bei Arbeitstemperaturen von etwa 80 °C für die Alkalische Brennstoffzelle (AFC) und die Polymermembran-Brennstoffzelle (PEMFC) über 650 °C für die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) wird ein weites Temperaturspektrum bis hin zu etwa 900 °C für die Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) abgedeckt.
Bei der Entwicklung steht derzeit der Einsatz der PEM-Brennstoffzelle für mobile Anwendungen im Mittelpunkt. Parallel hierzu werden weltweit Komponenten und Anlagen für den stationären Einsatz entwickelt. Neben der Brennstoffzelle selbst, die mit Wasserstoff betrieben wird, ist eine vorgeschaltete Brenngasaufbereitung notwendig, um diesen Wasserstoff aus den heute verfügbaren Brennstoffen zu erzeugen. Für den stationären Einsatz steht Erdgas im Mittelpunkt, da es von allen fossilen Brennstoffen den höchsten Wasserstoff- und den geringsten Kohlenstoffanteil besitzt. Dies ermöglicht in Verbindung mit dem hohen elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzellen sehr niedrige spezifische CO2-Emissionen pro erzeugter Kilowattstunde Strom.
Seit einigen Jahren gibt es auch intensive Entwicklungen für kleine erdgasbetriebene Brennstoffzellen-Heizgeräte. Damit soll der konventionelle Heizkessel um eine Brenn-stoffzelleneinheit ergänzt werden, die Strom und Wärme erzeugt. Für diesen Einsatzfall konzentrieren sich die Entwicklungen auf die SOFC- und die PEM-Brennstoffzelle. Abgeleitet aus den Entwicklungen für den mobilen Einsatz, wird für die PEM-Brennstoffzelle ein großes Kostensenkungspotenzial erwartet. Die PEMFC eignet sich sehr gut für die Strom- und Wärmeversorgung im Wohn- und Gewerbebereich. Ihr Elektrolyt besteht aus einer Protonen leitenden Kunststoffmembran. Die Betriebstemperatur von rund 80 °C ermöglicht den Einsatz preiswerter Werkstoffe bei einem für die haushaltliche Anwendung ausreichenden Temperaturniveau. Die Herausforderungen zum Großserieneinsatz liegen heute im Wesentlichen bei der Brenngasaufbereitung, dem sogenannten Fuel-Processor, und bei der Systemgestaltung.
Gemeinsam mit dem amerikanischen Entwicklungsunternehmen Plug Power Inc. hat die Vaillant GmbH, Remscheid, die Entwicklungen von Brennstoffzellen für den Gebäudebereich aufgenommen. Während das Plug- Power-System für den amerikanischen Markt nur zur Stromerzeugung vorgesehen ist, zielt die Vaillant-Entwicklung für den europäischen Markt auf ein Gerät zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung. Die erzeugte Wärme soll hierbei sowohl für Heizzwecke als auch zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Die Praxiserprobung dieses Systems wird 2001 in einem Feldversuch starten, der im Rahmen eines Kooperationsprojektes in NRW durchgeführt wird. „Wir werden die Brennstoffzellentechnologie in der praktischen Anwendung für die Wärme- und Stromerzeugung sehr intensiv erproben“, so Vaillant-Geschäftsführer Dr. Michel Brosset. „Unser primäres Ziel ist es, zusammen mit unseren auf ihren jeweiligen Gebieten führenden Kooperationspartnern ein Gerät zur Marktreife zu bringen, das höchste Qualitätsansprüche im Hinblick auf Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit erfüllt. Die Ergebnisse sind für uns ausschlaggebend für den Markteinführungstermin“, so der Heizungsexperte.
Neben Vaillant sind die Ruhrgas AG, Essen, die EON Engineering GmbH, Gelsenkirchen, die ELE Emscher Lippe Energie GmbH, Gelsenkirchen, sowie die EUS Gesellschaft für innovative Energieumwandlung und -speicherung mbH, Gelsenkirchen, an diesem Projekt beteiligt und auf dem Gemeinschaftsstand (Halle 13/E28) präsent.
Die Aufgaben der anderen Projektpartner sind unterschiedlich definiert. EUS entwickelt in Zusammenarbeit mit Vaillant die übergeordnete Steuerung. Der Energie-Manager soll eine kostenoptimale Fahrweise von Brennstoffzellen, Warmwasser- speicher und Zusatzheizgerät garantieren. EON Engineering konzentriert sich auf die elektrische Anbindung der PEM-Brennstoffzellen-Anlagen. Die ELE spezialisiert sich als Feldtestbetreiber auf Contracting-Fragestellungen. Die Ruhrgas führt Untersuchungen zur Funktion des Testgerätes mit unterschiedlichen Gasbeschaffenheiten durch. Im Anschluss an die Testphase werden Mitte 2001 zwei Brennstoffzellen-Heizgeräte in Gewerbebetrieben installiert und unter realen Bedingungen eingesetzt. wm
Brennstoffzellen optimal regeln: Das „Kraftwerk im Keller“ erfordert neue Steuerungs-Peripherie
Parallel zur Entwicklung der Brennstoffzelle machen erst intelligente Steuerungs- und Managementsysteme die neue Technik zu Energiesystemen.
Die EUS, die den Einsatz von Brennstoffzellen (BZ) als dezentrale Energiewandler bereits seit 1994 begleitet, konzentriert sich derzeit auf die Entwicklung intelligenter, übergeordneter Steuerungs-, Regelungs- und Managementsysteme für verteilte Brennstoffzellenanlagen und andere dezentrale Systeme. „Damit Brennstoffzellen tatsächlich Anteile in der Energieversorgung der Zukunft bekommen, muss jetzt schon geklärt werden, wie beispielsweise tausende von Brennstoffzellen so gesteuert werden können, dass sie sich wie ein virtuelles Kraftwerk verhalten“, ist EUS-Geschäftsführer Dr.-Ing. Thomas Stephanblome überzeugt.
Auch für die Energieversorgung könnte der koordinierte Betrieb einer größeren Anzahl von BZ als Alternative zu einzelnen großen Kondensationskraftwerken deutliche Vorteile bieten: So ist der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen auch im Teillastbereich hervorragend. Durch die Aufteilung in viele kleine Anlagen reduzieren sich Wahrscheinlichkeit und Ausmaß von Ausfällen. Das System könnte auf Laständerungen wesentlich schneller reagieren als ein Kohle- oder Kernkraftwerk. Zudem ließe sich über Wechselrichter nicht nur Wirkleistung, sondern auch Blindleistung erzeugen, und dank kurzer Wege zum Ort des Verbrauchs wären Übertragungs- und Umspannverluste im Stromnetz minimal.
„Allerdings muss beim Einsatz eines solchen Brennstoffzellen-Kraftwerks berücksichtigt werden“, so Thomas Stephanblome, „dass nur in dem Umfang elektrische Energie sinnvoll erzeugt werden kann, wie Bedarf für die entstehende Abwärme vorhanden ist.“ Deshalb muss auch ein Wärmespeicher am Brennstoffzellenheizgerät integriert werden. Die Anlage vor Ort muss in der Lage sein, sich – in Kenntnis der spezifischen Anforderungen – entsprechend dem von der Warte im Takt versandten „Fahrplan“ zu verhalten.
Glossar: ABC der Brennstoffzelle
Anode – Hier wird Wasserstoff zugeführt. Ein Katalysator spaltet Elektronen von Wasserstoffmolekülen ab.
Elektrolyt – Der Elektrolyt der PEFC-Brennstoffzelle besteht aus einer festen und sehr dünnen Polymermembran-Folie.
Elektronen – Negativ geladene Teilchen, die von der Anode über den äußeren Stromkreis zur Kathode fließen.
Katalysator – Katalysatorenmaterial in der PEFC-Brennstoffzelle ist Platin. Es bewirkt die Abspaltung der Elektronen von Wasserstoffmolekülen.
Kathode – Hier wird Sauerstoff zugeführt, in den meisten Fällen in Form von Luftsauerstoff.
PEFC – Proton-Exchange-Membrane-Fuel-Cell, auch Polymermembran-Brennstoffzelle genannt.
Protonen – Positiv geladene Wasserstoffteile, die durch die Abspaltung der Elektronen entstehen und durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode wandern.
Reformierung – Die Umwandlung von Erdgas in ein wasserstoffreiches Gas.
Stack – Besteht aus hintereinander geschalteten Zellen, die jeweils aus zwei Elektroden bestehen und die durch einen Elektrolyten getrennt sind.
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