Was ist eine Brennstoffzelle? Die Brennstoffzelle steht für saubere, effizientere Elektrizität.

Transkript

1 Was ist eine Brennstoffzelle? Fuel cell facts Die Brennstoffzelle steht für saubere, effizientere Elektrizität. Wie arbeitet eine Brennstoffzelle? Eine Brennstoffzelle wandelt hocheffizient wasserstoffreiche Brennstoffe in Elektrizität um. Statt einer klassischen (und emissionsintensiven) Verbrennung arbeiten Brennstoffzellen mit einer elektrochemischen Reaktion. Das Prinzip ähnelt in Grundzügen dem einer Batterie, die kontinuierlich Gleichstrom aus einer chemischen Reaktion bereitstellt. Wie eine Batterie verfügt auch eine Brennstoffzelle über eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. Im Gegensatz zu Batterien können Brennstoffzellen jedoch keine Energie speichern, sie sind nie leer, und sie werden auch nicht durch Elektrizität aufgeladen. Stattdessen können Brennstoffzellen kontinuierlich Strom erzeugen, solange sie mit Brennstoff und Luft versorgt werden. Wie unterscheiden sich Brennstoffzellen von anderen Stromerzeugern? Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren oder mit Kohle bzw. Gas betriebenen Turbinen verbrennen Brennstoffzellen den Brennstoff nicht. Das heißt, es gibt bei Brennstoffzellen auch keine sich schnell bewegenden Kolben oder Ähnliches und damit auch keine lauten Betriebsgeräusche und Vibrationen. Brennstoffzellen nutzen zur Stromerzeugung eine lautlose elektrochemische Reaktion, in der sie die chemisch gespeicherte Energie des Brennstoffs direkt, ohne Zwischenschritt, in Elektrizität, Wärme und Wasser umwandeln. Wie effizient sind Brennstoffzellen? Sehr effizient. Da sie den Brennstoff nicht verbrennen, produzieren Brennstoffzellen auch keine großen Mengen an Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO 2 ), Methan (CH 4 ) und Stickstoffoxid (NO x ). Brennstoffzellen emittieren lediglich ein wenig Wasserdampf und eine geringe Menge an Kohlendioxid (oder gar kein CO 2, wenn reiner Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird). Wie kann Ceramic Fuel Cells diese Effizienz optimal zur Geltung bringen? Eine Brennstoffzelle arbeitet nur innerhalb eines ausgereiften Systems optimal. Ceramic Fuel Cells entwickelt und produziert sowohl Brennstoffzellen als auch komplette Brennstoffzellensysteme. Unsere Produkte haben das Potential, Elektrizität sehr viel effizienter und sauberer zu erzeugen als traditionelle Verbrennungstechnologien, die fossile Brennstoffen nutzen. e DE Was ist eine Brennstoffzell Doc. # _01

2 Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? Das Grundprinzip: Eine effiziente, elektrochemische Reaktion. Eine kurze Chemielektion zum besseren Verständnis: Alle Brennstoffzellen generieren Elektrizität und Wärme durch einen elektrochemischen Prozess, der sich zwischen einer Anode, einem Elektrolyten und einer Kathode abspielt. In den Brennstoffzellen von Ceramic Fuel Cells, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, verlassen Sauerstoffionen die sauerstoffreiche Kathode und werden durch den Elektrolyten zur wasserstoffreichen Anode geleitet daraus entsteht elektrische Energie. Ceramic Fuel Cells stellt sog. Festoxid-Brennstoffzellen her ( SOFC für engl. Solid Oxide Fuel Cells). Diese verwenden Erdgas als Brennstoff. Das Erdgas wird zunächst entschwefelt, und dann unter Dampfzufuhr reformiert, d.h. unerwünschte Gase werden entfernt. Übrig bleibt Methan, das anschließend entlang der Anode zugeführt und bei hoher Temperatur in Wasserstoff reformiert wird. Außer Erdgas können Festoxid- Brennstoffzellen theoretisch auch andere Brennstoffe wie Flüssiggas (LPG) oder Ethanol nutzen. Im Gegensatz zu anderen Brennstoffzellen benötigen SOFC dank der internen Reformierung keinen reinen Wasserstoff. Über die Kathode wird heißer Sauerstoff geleitet. Sauerstoffionen wandern durch die keramische Elektrolytmembran und reagieren auf der Anodenseite mit dem Wasserstoff. Dadurch wird ein elektrischer Strom, Wasser und Wärme erzeugt. Wenn sich zwischen Anode und Kathode eine elektrische Spannung aufbaut, wird ein Stromkreis hergestellt, durch den die Elektronen von der Anode zurück zur Kathode fließen können (wie es in etwa geschieht, wenn eine Glühbirne an eine Batterie angeschlossen wird). Eine einzelne Brennstoffzelle kann nur etwa ein Volt Spannung liefern. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden die Brennstoffzellen daher zu einem Stapel (engl. Stack) in Reihe geschaltet. Auf diese Weise wandelt Ceramic Fuel Cells gut verfügbares Erdgas in Elektrizität um lautlos, effizient und emissionsarm. DE Fuel Cell Fact 2 Doc # _01

3 Brennstoffzellen-Typen Fuel cell facts Verschiedene Elektrolyten für verschiedene Anwendungen Was ist der Unterschied zwischen Hoch- und Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen? Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen benötigen relativ reinen Wasserstoff als Brennstoff. Dieser muss zuerst mithilfe eines externen Reformers aus dem Primärbrennstoff, z.b. Erdgas, gewonnen werden. Dieser Prozess verbraucht zusätzliche Energie und setzt eine spezielle Ausrüstung voraus. Hochtemperatur-Brennstoffzellen hingegen können den Brennstoff intern reformieren die Investition in zusätzliches Equipment zur Wasserstoffgewinnung entfällt. Die wichtigsten Brennstoffzellen-Typen: Typ und Beschreibung Betriebstemperatur Elektrischer Wirkungsgrad Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC), Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ~ 80 C ~ 30 to 35 % (PEMFC) Protonendurchlässige Polymermembran, häufig in Verbindung mit einem teuren Platinkatalysator. Geeignet für: Start-Stopp-Anwendungen im Automobilverkehr und mobile Anwendungen Brennstoff Reiner Wasserstoff Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) ~ C ~ 35 to 40 % Reiner Wasserstoff Geeignet für: Konzentrierte Phosphorsäure Ihr Design und ihre Ausgangsleistung machen PAFC ideal für Busse und große stationäre Anwendungen (z.b. Großkraftwerke) Alkalische Brennstoffzelle (AFC) ~ C ~ 40 % Geeignet für: Kalilauge (Kaliumhydroxid-Lösung) Teure missionskritische Anwendungen, z.b. in der amerikanischen Raumfahrt Reiner Wasserstoff Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) ~ C ~ 50 to <70 % div. Kohlenwasserstoffe Geeignet für: Eine hitzebeständige Mischung aus geschmolzenen Alkalikarbonaten (Natrium oder Kalium) Große stationäre Anwendungen (z.b. Großkraftwerke) Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ~ 450 1,000 C ~ 45 to <70 % div. Kohlenwasserstoffe Ein festes, porenfreies Metalloxid auf keramischer Basis, häufig Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid. SOFC arbeiten bei hohen Temperaturen, was eine hohe Flexibilität bei der Auswahl des Brennstoffs ermöglicht (eine Vorbehandlung entfällt). SOFC eignen sich am besten für den kontinuierlichen Dauerbetrieb in stationären Anwendungen (z.b. Mikrokraftwerke). Ceramic Fuel Cells entwickelt SOFC-Systeme für Haushalte und andere Gebäude und nutzt dabei gut verfügbare Brennstoffe sowie bestehende Infrastrukturen. DE -Fuel Cell fact 3 Doc. # _01

4 Warum Festoxid-Brennstoffzellen? Weil sie hocheffizient emissionsarme Elektrizität liefern. Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung Wie der Name andeutet, liefern Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) kombiniert Elektrizität und Wärme. Der erzeugte Strom wird direkt vor Ort verbraucht, Überschüsse ins Netz gespeist, und die Abwärme der Anlagen kann als Raumwärme oder zur Warmwasseraufbereitung verwendet werden. In der dezentralen Energieerzeugung werden häufig populäre erneuerbare Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft genutzt. Ihre Leistungsabgabe hängt jedoch vom Wetter ab und schwankt daher saisonal. Zugleich werden verschiedene KWK-Typen entwickelt, u.a. auf Basis eines Stirling- oder Verbrennungsmotors. Diese Technologien haben häufig niedrige elektrische Wirkungsgrade und werden durch ihre starke Wärmeabgabe gehemmt (wird zuviel Wärme erzeugt, muss die Anlage abgeschaltet werden). Produkte von Ceramic Fuel Cells sind eine verlässliche Quelle für die Erzeugung von effizientem, emissionsarmem Strom in Mikro-KWKs. Unsere Brennstoffzellen wandeln gut verfügbares Erdgas und erneuerbare Brennstoffe in Elektrizität für Haushalte und andere Gebäude. Dabei arbeiten sie mit einem hohen Wirkungsgrad und geben die richtige Menge an Wärme ab. Sie können in unterschiedlichen Regionen eingesetzt werden, und eignen sich sowohl für die Stromversorgung eines Haushalts, als auch für die Versorgung von abgelegenen ländlichen Siedlungen, oder als Hilfsgeneratoren. Zum Thema Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen Nutzen häufig teure Edelmetalle wie Platin als Katalysator Benötigen relativ reinen Wasserstoff als Brennstoff dies bedingt einen komplexen und kostenintensiven Betrieb Ihr gutes Kaltstartverhalten macht sie ideal für Start-Stopp-Anwendungen Die Alternative: Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) Arbeiten bei höheren Temperaturen, sind nicht auf die Verwendung von Edelmetallen angewiesen Variabler Einsatz von Brennstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis, bevorzugt Erdgas Besser geeignet für den Dauerbetrieb Weisen den höchsten elektrischen Wirkungsgrad auf (bis zu 60%) Bei Nutzung eines Wärmerückgewinnungssystems erhöht sich der Wirkungsgrad auf bis zu 85 Prozent Sehr niedrige Emissionswerte, ein nahezu lautloser Betrieb, und ein geringer Wartungsaufwand im Vergleich zu anderen Erzeugungstechnologien Überzeugende Vorteile Brennstoffzellen von Ceramic Fuel Cells bieten die effizienteste Stromerzeugungsmethode für Mikrokraftwerke und wurden primär für eine maximale Ausgangsleistung entwickelt. KWKs mit SOFC- Brennstoffzellen erlauben eine integrierte Wärmerückgewinnung zur Warmwasseraufbereitung - dies steigert den Wirkungsgrad dieser Systeme nochmals. Festoxid-Brennstoffzellen benötigen keine reine Wasserstoffzufuhr. Zusätzliches externes Equipment zur vorgelagerten Gewinnung von Wasserstoffgas und der Transport zum Verbraucher entfallen. Unsere Produkte werden einfach an das reguläre Gasnetz angeschlossen. DE Fuel Cell Fact 4 Doc. # _01

5 Zur Geschichte der Brennstoffzelle Alles begann 1838 Die Entdeckung Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde erstmals vom deutsch-schweizerischen Wissenschaftler Christian Friedrich Schönbein erkannt und dokumentiert. Sein Freund Sir William Robert Grove, ein Jurist aus Wales, erfand daraufhin die erste Brennstoffzellenvorrichtung, an der er zwischen 1839 und 1845 arbeitete. Sein Grovesches Element wandelte Wasserstoff und Sauerstoff in geringe Mengen an Elektrizität und Wasser. Die Brennstoffzelle, die eine Platinelektrode in Salpetersäure und eine Zinkelektrode in Schwefelsäure nutzte, erzeugte eine elektrischen Strom mit einer Stärke von 12 Ampere und 1,8 Volt Spannung entwickelte William Jacques die erste Brennstoffzelle für den Haushalt. Um die Jahrhundertwende Walther Nernst verwendete als Erster einen festen Elektrolyten aus Zirkonoxid konstruierte Emil Baur die erste Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle. In den späten 1930ern Francis Thomas Bacon hingegen experimentierte mit alkalischen Brennstoffzellen und vollendete 1939 eine Brennstoffzelle, die Nickelnetz-Elektroden nutzte und unter Hochdruck betrieben werden konnte (3,000 psi). Während des 2. Weltkriegs entwickelte Bacon Brennstoffzellen für den Einsatz in U-Booten der British Royal Navy stellte er eine alkalische Brennstoffzelle vor, in der er Elektroden mit einem Durchmesser von 10 Zoll in einem Stapel angeordnet hatte. 1950er und 1960er: Aufbruch in den Weltraum Viel Beachtung erlangte die Brennstoffzelle durch ihren Einsatz in der Raumfahrt. Längere Missionen der NASA stellten neue Herausforderungen an die Energieversorgung im All. Als Reaktionsgase können für die alkalischen Brennstoffzellen der NASA nur reiner Wasserstoff und reiner Sauerstoff verwendet werden. Aus der elektrochemischen Reaktion enstehen drei Produkte, die in der Raumfahrt von hohem Nutzen sind: Elektrizität für die Stromversorgung der Space Shuttle, Trink- und Kühlwasser, sowie Wärme präsentierte die Allis-Chalmers-Produktionsgesellschaft einen 20PS-Traktor mit Brennstoffzellenantrieb. In den USA und in den Niederlanden nahm derweil die Forschung an Festoxid-Brennstoffzellen Fahrt auf. 1980er: Der Wunsch nach einer sauberen Energieerzeugung Angetrieben durch die Ölkrise und die wachsende Besorgnis über die Luftverschmutzung, intensivierten viele Länder ihre Suche nach umweltfreundlicheren Methoden der Stromerzeugung. Regierungen, Institutionen und die Wirtschaft konzentrierten sich von nun an auf die Entwicklung von diversen Brennstoffzellen-Typen für Industrie- und Haushaltsanwendungen. 1992: Das Gründungsjahr von Ceramic Fuel Cells Limited Ceramic Fuel Cells trägt die Forschung und Entwicklung der Festoxid-Brennstoffzellentechnologie (SOFC) ins 21. Jahrhundert. Es ist ein aufregende Zeit für uns: Wir konnten eine Vielzahl bedeutsamer Patente anmelden und bieten innovative Lösungen für Materialien, Prozesse und die Fertigung von SOFC-Systemen. Dazu gehört auch BlueGen - das Mikro-Kraftwerk mit dem weltweit höchsten elektrischen Wirkungsgrad. DE Fuel Cell Fact 5 Doc. # _01

6 Anwendung der Brennstoffzelle Sauberer und effizienter Strom direkt am Verbrauchsort Ceramic Fuel Cells entwickelt Brennstoffzellen für kleinformatige Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (sog. Mini- KWKs), die für Haushalte und andere Gebäude kombiniert Elektrizität und Wärme erzeugen. Mini-KWKs sind ein essentieller Bestandteil der modernen dezentralen Stromversorgung. Anstelle eines großen, zentralisierten Kraftwerks werden viele kleine Generatoren am Verbrauchsort eingesetzt. Wie effizient ist Elektrizität, die ein Kohlekraftwerk liefert? Die Stromerzeugung im Kohlekraftwerk und der Transport der Energie über das Stromnetz zum Verbraucher sind mit enormen Effizienzeinbußen verbunden. Ein bedeutender Teil der eingesetzten Energie geht verloren - durch Verluste bei der Energieumwandlung im Kraftwerk, als auch bei der Übertragung und Verteilung über Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze. Wie schneidet die Technologie von Ceramic Fuel Cells im Vergleich ab? Mit einem elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60 Prozent erzeugt unsere Technologie Elektrizität hocheffizient und direkt am Ort des Verbrauchs. Durch die integrierte Wärmerückgewinnung (für Warmwasser und/oder Raumwärme) lässt sich der gesamte Wirkungsgrad weiter steigern. DE Fuel Cell Fact 6 Doc. # _01

7 Technologien im Vergleich Fuel cell facts Die hocheffiziente Lösung für dezentrale Kleinkraftwerke Brennstoffzellen als effiziente Alternative zu Großkraftwerken Laut der Internationalen Energie-Agentur (IEA) wurden 2008 global über 20 Billionen Kilowattstunden Elektrizität erzeugt. Ungefähr 68 Prozent davon wurden in konventionellen Wärmekraftwerken generiert. Wie funktioniert ein Wärmekraftwerk? In einem thermischen Kraftwerk arbeitet eine Maschine (eine Turbine oder ein Motor), die Rotationsenergie (kinetische Energie) durch elektromagentische Induktion innerhalb eines gekoppelten Generators in elektrische Leistung umwandelt. Um die mechanische Rotation anzutreiben, wird Wärmeenergie benötigt. Diese wird häufig durch die Verbrennung von Brennstoffen gewonnen. Kurz gesagt: Die chemische Energie im Brennstoff wird erst in Bewegungsenergie, dann in Elektrizität umgewandelt. Stromerzeuger variieren je nach Leistung diese reicht von weniger als einer Kilowattstunde bis zu mehreren Hundert Megawatt Antriebsvorrichtung eingebaute Verbrennungsmotoren, Dampf- oder Gasturbinen Brennstoff Benzin, Diesel, Erdgas, Kohle und andere Betriebsmodus Dauerbetrieb (Grundlast), regelbar (Spitzenlast), Bedarfsbetrieb (Reserve) Generell arbeiten große Wärmekraftwerke effizienter als kleine Kraftwerke. Die Ausnahme sind moderne Gasund Dampf-Kombikraftwerke (GuD), die Erdgas als Brennstoff verwenden. Die Herausforderung für dezentrale Erzeugungstechnologien Sie müssen kompakte Ausmaße aufweisen, zugleich jedoch effizient genug sein, um im Wettbewerb mit zentralen thermischen Großkraftwerken zu bestehen. Wie das Diagramm zeigt, weist die Technologie von Ceramic Fuel Cells einen hervorragenden elektrischen Wirkungsgrad auf (vergleichbar mit einem GuD), bei einer bedarfsgerecht geringen Leistung. Die Technologie von Ceramic Fuel Cells ist auf maximale Effizienz bei der Stromerzeugung ausgelegt und ist damit die richtige Wahl für die dezentrale Energieversorgung. DE Fuel Cell Fact 7 Doc. # _01