ENERGIE NETWORK SCHWEIZ

Transkript

1 ENERGIE NETWORK SCHWEIZ, 30.Jan Au Premier, HB Zürich Die Brennstoffzelle, Energiewandler der Zukunft Werner Frei, MTU Onsite Energy 1

2 Alle reden von der Wirtschaftkrise... und der Klimawandel? Umweltschutz kommt erst an 9. Stelle! Und der Klimawandel? War der Klimawandel nur wegen den hohen Ölpreisen ein Thema? 2

3 Alle reden von der Wirtschaftkrise... und der Klimawandel? Klimawandel? Das Thema Umwelt und Energie ist nicht sexy! Auch wenn es unsere Zukunft massiv bedroht Wir verbrauchen ungebremst Rohstoffe und fossile Energie Auch wenn wir genau wissen, dass diese ausgehen werden 3

4 Globales Energiesystem der Erde Die gesamte eingestrahlte Energie der Sonne wird durch Wärmeabstrahlung kompensiert. Gleichgewicht Alle zusätzlich zugeführte Energie kann nur durch eine zusätzliche Abstrahlung kompensiert werden. Temperaturerhöhung 4

5 Gesucht: Das nachhaltige Energiesystem für die Schweiz Wir haben Sonne, Wasser und Biomasse (Holz ) daneben etwas Wind und Abfall Wir brauchen Wärme, Strom und Kraftstoff die neuesten Entwicklungen gehen alle in Richtung Strom Wärmepumpe zur Heizung (Ölpreise!) Autos mit Elektroantrieb (Lithiumbatterien!) ergo brauchen wir in Zukunft vor allem Strom! Die Stromproduktion ist meist mit Abwärme verbunden effiziente Stromproduktion bedingt die Nutzung der Abwärme: Wärme-Kraft-Kopplung 5

6 Welche Technologie? Welche Technologie verbraucht am wenigsten Brennstoff, wenn wir Alle Niedertemperaturwärme Allen Strom aus nicht erneuerbaren Quellen In der Schweiz mit einem System abdecken wollen? Gemäss Studie Wärme und Strom aus Brennstoffen effizient und umweltschonend von Dr. Martin Zogg* ist das Verhältnis Strom / Wärme mit 1 zu 4 anzusetzen: *) Dr. Martin Zogg, Dipl. Masch.-Ing. ETHZ, Kirchstutz 3, 3414 Oberburg Forschungsprogrammleiter Umgebungswärme, Abwärme, WKK des Bundesamts für Energie 6

7 Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle: neue Chancen der WKK-Technik * WP+BZ** 92.6% 62.4% 37.6% WP+BZK** 86.9% 59.2% 40.8% Legende: K = Kessel, KK = KombiKraftwerk (GUD), WKK = WärmeKraftKopplung WP = WärmePumpe, BZ = Brennstoffzelle, BZK = BrennstoffzellenKombi (mit ORC) * Publikation des BFE von 2002: Kombination KK-WP Dr. Martin Zogg, Dipl. Masch.-Ing. ETHZ, Kirchstutz 3, 3414 Oberburg Forschungspogrammleiter Umgebungswärme, Abwärme, WKK des Bundesamts für Energie ** Berechnungen der DCPS, Werner Frei, Aug siehe nachfolgende Diagramme 7

8 Brennstoff 86.9% HotModule MCFC Brennstoffzelle Strom für WP 20.3% Strom 25% Verteilverlust (2.5%) 0.5% HT-Brennstoffzelle mit ORC und Wärmepumpe Wärme 29% Umgebungswärme 50.7% Strom 20.3% Wärme Pumpe COP 3.5 Wärme 71% Wärme Total 100% 8

9 Überlegene Effizienz GUD Kraftwerk Mikrogasturbinen 0 0, Leistung (MW) 9

10 Neuer Ansatz zur Energiewandlung Thermische Energie Mechanische Energie Brennstoffzellen Elektrizität 10 10

11 Brennstoffzelle Was ist das? Ganz Einfach: Eine Batterie, die anstatt Kohle und Zink Wasserstoff verbraucht Eine technische Revolution: Umwandlung von Primärenergie direkt in Strom Nichts Neues: Das Prinzip wurde schon um 1838 vom Basler Professor C.F. Schönbein entdeckt und 1845 vom Engländer W.R. Grove erstmalig in einem funktionsfähigen Laboraufbau umgesetzt. 11

12 Brennstoffzelle - Wie funktioniert das? Beispiel: kalte Verbrennung PEM oder PAFC Wasserstoffmoleküle treffen auf die Anode und werden zerlegt in atomaren Wasserstoff. Hier geben sie ihre Elektronen ab und wandern als Ionen (Kation( Kation: positiv geladen) durch die Membrane (=engmaschiges Gitter, das nur Atomkerne ohne Elektronen durchlässt). Die Elektronen werden durch die leitende Oberfläche der Anode über den Verbraucher zur Kathode geleitet wo sie zusammen mit den Wasserstoffionen und dem Sauerstoff zu Wasser reagieren (verbrennen). H 2 H 2 Membrane (Elektrolyt) Anode Kathode e - e - H 2 H 2 e - e - H + H + H + H + O O O 2 H 2 O O 2 H 2 O Wärme H 2 O H 2 O

13 Brennstoffzelle gegenüber konventionellen Technologien viel versprechend: hohe Wirkungsgrade (kein Carnot-Prozess) Minimale Abgasemissionen (Chemische Umformung, keine Verbrennung) kein Russ / Staub (Russ entsteht bei jedem Verbrennungsprozess) Wartungsfrei (kein Schmieröl, keine bewegliche Teile, kein Verschleiss) Einfacher Aufbau, geringe Kosten ( jedenfalls in der Serienproduktion) aber: je nach Typ und Hersteller reine Brennstoffe notwendig (prinzipiell nur Wasserstoff und Sauerstoff) Gasaufbereitung bedingt teure Wartung Degradation der Zellen (Stapellebensdauer meist gering) Produktionsverfahren müssen erst entwickelt werden 13

14 Schadstofffreie Brennstoffzelle 14 14

15 Brennstoffzelle Welche Typen gibt es? Wir unterscheiden grundsätzlich zwei Arten von Brennstoffzellen A) mit kalter Verbrennung bis ca. 200 C B) mit heisser Verbrennung über 600 C kann nur Wasserstoff direkt verwenden Reformer intern (Dampfreformer) hohe Ansprüche an die Gasqualität z.b.: kein CO (wirkt toxisch) Reformer extern geringere Ansprüche an die Gasqualität. Erdgas und Biogas als Energiequelle direkt nutzbar. (Ev. sogar mit Erdöl) Komplexe Zusammensetzung mit teilweise problematischen Materialien PAFC, PEM Entwicklungsstand: Feldtest / Serieneinführung teilweise seit mehreren Jahren auf dem Markt. Anwendung: Fahrzeuge (Stationärbetrieb solange keine Alternative besteht) Unproblematische Materialien MCFC, SOFC Entwicklung: Labor / Feldtestanlagen, Markteinführung in wenigen Jahren Anwendung: voraussichtlich nur Stationärbetrieb 15

16 Brennsstoffzellen Typen Hochtemperatur Hochtemperatur Brennsstoffzellen Niedertemperatur Niedertemperatur Brennsstoffzellen Brennsstoffzellen Brennsstoffzellen Festoxyd BZ H 2 H 2 O Schmelz- karbonat BZ Phosforsaure BZ Membran BZ Alkalische BZ H 2 CO 2 H 2 O H 2 H 2 H 2 O Anode Elektrolyt O 2- CO 2-3 Kathode 2- SOFC: 1000 C O 2 O 2 2- MCFC: 650 C CO 2 O 2 H + PAFC: 180 C 220 C H 2 O PEM: 30 C 80 C O 2 hotmodule OH - AFC: 25 C 35 C H 2 O 16

17 Die MCFC Brennstoffzelle Bei der MCFC ist CO 2 ein Reaktant, der die Kathodenreaktion beschleunigt = Höhere Effizienz bei CO 2 -haltigen Biogasen 17

18 hotmodule Die Brennstoffzelle der MTU Onsite Energy wird HotModule genannt und baut auf der Schmelzkarbonat Brennstoffzelle auf, der so genannten Molten Carbonate Fuell Cell resp. MCFC. Vorteile des hotmodule gegenüber anderen Techniken Hohe Arbeitstemperatur von 650 C (Hochtemperatur-Zelle) Im Gegensatz zur SOFC mit über 900 C (z.b. Hexis) kann mit handelsüblichen Metallwerkstoffen gearbeitet werden; Kein Keramik Mittlere Leistung mit 250kW el; Anlagenbau Hoher Wirkungsgrad 47% netto, 55% DC (Zellstapel) Hohe Ablufttemperatur; weites Anwendungsgebiet für Wärmeverwendung Dampf, Absorber kein Kühlkreislauf notwendig; überschüssige Wärme in der Abluft Video: Funktionsweise der Hotmodule Brennstoffzelle 18

19 hotmodule HM300 Integriertes System für dezentrale KWK und KWKK Umweltfreundlich: keine schädlichen Emissionen; 30% geringerer CO 2 -Ausstoß Leistung: bis 250 kw elektrisch 180 kw thermisch Gesamtwirkungsgrad: bis 90 % Stapel-Lebensdauer Heute h Ziel h Erdgas, Klärgas, Biogase, Methanol 19

20 Karbonat-Brennstoffzelle Der Zellstapel Der so genannte Stack (im Bild) besteht aus 300 Zellen. Eine einzelne Zelle gibt eine Spannung von ca. 0,7V und ist aus min. drei Platten aufgebaut: Anode, Elektrolyt, Kathode. Zwischen den Platten müssen leitende Stromkollektoren und andere Zwischenschichten angebracht werden. Zur Zeit müssen noch alle Schichten von Hand zusammengebaut werden! Im Bild: Einer der Urstapel 20

21 Das erste HotModule im Labortest Das erste HotModule wurde 1997 bei der Ruhrgas AG In Dorsten getestet Neue Technologien

22 Krankenhaus Bad Berka Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Brenngas: Erdgas Stapelwechsel im Jahr 2007 Betriebsstunden: h Stromerzeugung: MWh 22 22

23 Sun Power! what s the difference? Abfälle Nahrungsmittel MCFC Brennstoffzelle Gas Sonne Bewölkung Nacht regelbar Sonne Bewölkung Nacht regelbar Solarzelle Brennstoffzelle 23

24 HotModule in der Kläranlage Wirkungsgrad el. 49% ab Umrichter / Gasmotor: % ab Generator KEV Anmeldung möglich, da min 20% mehr Strom Für eine mittlere Kläranlage sin das: 40% mehr Strom resp. 70 kw oder kwh / Jahr entsp. 150 Haushaltungen oder m 2 Solarzellen fast ein Fussballfeld! Gas Input Gasmotor HotModule 24

25 Kläranlage Moosburg Kraft-Wärme-Kopplung Klärgas aus kommunalen Abwässern Nutzung der Wärme für Fermenter und Schlammaufbereitung Betriebsstunden: h Stromerzeugung: 225 MWh 25

26 Energieflussdiagramm HeatPipe Holzvergaser mit HotModule Brennstoffzelle Dampf 250kW Abwärme NT Ca. 180kW Abwärme NT Ca. 40kW Abwärme 300 C 100kW Dampferzeuger Abwärme NT 170kW Kondensator Dampf / Wärme 120kW Abwärme 400 C 320kW Kondensat Holzschnitzel 1000kW Synthesegas 700kW Reformer Synthesegas 690kW Strom 295kW Strom 43kW Strom 8kW Osmosewasser ca. 200 l/h Wasser ca. 230l/h Strom 10kW Strom 25kW Wasser ca. 200l/h Wasser- Aufbereitung je nach Qualität und Menge des Kondensates 26

27 Systemansatz BIOVISION Abfälle High Value Food Mineral- Dünger Hygienic Green House Gülle Gärrestverarbeitung Substratreinigung Saubere CO2 Düngung Hitze Biogas Strom HotModule 27

28 Kontakt Werner Frei Geschäftsführer PurePower Solutions GmbH Bodenwies 51 CH-8493 Saland Tel.: Mob.: