Biogas in Brennstoffzellen Energie mit Zukunft?

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1 Biogas in Brennstoffzellen Energie mit Zukunft?

2 Vortragsverlauf Einleitung Geschichte der Brennstoffzelle Funktionsweise am Bsp. der PEMFC Brennstoffzellentypen Biogas (Bestandteile, Entstehung) Klärgasbetriebene BSZ in Ahlen BSZ im Vergleich zum Verbrennungsmotor (Wirtschaftlichkeit und Schadstoffemissionen)

3 Einleitung Heute: Verarbeitung von Erdöl l und Erdgas zur Energiebereitstellung Prognose: In ca. 150 Jahren sind Ressourcen verbraucht Verwertung von erneuerbaren, endlosen Energien wie Biogas

4 Einleitung Wie kann man aus landwirtschaftlichen Produkten bzw. menschlichen oder tierischen Abfällen Energie gewinnen? Regional erreichbares und anschauliches Projekt: Klärgasbetriebene Brennstoffzellenanlage in Ahlen

5 Geschichte der Brennstoffzelle 1839: engl. Jurist und Physiker Sir William Robert Grove ( ) 1896) erfand die BSZ

6 Robert Grove Er experimentierte an der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff

7 Robert Grove Er erkannte, dass sich dieser Vorgang umkehren lässtl Stellte kurz darauf die galvanische Gasbatterie vor

8 Galvanische Gasbatterie Erzeugte aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom Zwei Platinelektroden wurden in Schwefelsäure getaucht und mit Wasserstoff und Sauerstoff umspült Messbare Spannung war zu gering

9 Wilhelm Ostwald Wilhelm Ostwald ( ), Direktor des ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in Leipzig, erkannte jedoch schon 1887 das Potenzial von Groves Brennstoffzelle: "Haben wir ein galvanisches Element, welches aus Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert [...], dann stehen wir vor einer technischen Umwälzung, gegen welche die bei der Erfindung der Dampfmaschine verschwinden muss. Denken wir nur, wie [...] sich das Aussehen unserer Industrieorte ändern wird. Kein Rauch, kein Ruß, keine Dampfmaschine, ja kein Feuer mehr..."

10 Wilhelm Ostwald Wilhelm Ostwald formulierte auch eine Definition der Brennstoffzelle: Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die kontinuierlich die chemische Energie eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt, wobei die Elektrodenprozesse in einem invarianten Elektrode-Elektrolyt-System ablaufen. Seine Theorien bescheinigten der Brennstoffzelle einen Wirkungsgrad von 83% und lösten in den ersten zwanzig Jahren des 20. Jahrhunderts eine Welle von Konstruktionsvorschlägen aus.

11 Geschichte der Brennstoffzelle Die Wissenschaft war allerdings noch nicht in der Lage alle chem. Vorgänge zu erklären ren noch keine große e technische Weiterentwicklung 1920er Jahre: Erste technische Verbesserungen mit denen man u.a. die Korrosion der Elektroden in den Griff bekam, brachten Erfolge. In den 50er Jahren erwachte das Interesse an der Brennstoffzelle mit den Arbeiten von F.T. Bacon wieder.

12 F.T. Bacon 6 kw Brennstoffzelle nach Bacon von Alkalische Brennstoffzelle hatte bei einer Betriebstemperatur von 200 C C eine Klemmspannung von 27 bis 31 V. Der Wirkungsgrad betrug immerhin schon 50%.

13 .Geschichte der Brennstoffzelle 1960er: BSZ wurden erstmals an Satelliten des amerikanischen Raumfahrtprogramms eingesetzt Später auch Einsatz beim Apollo Mondflug

14 Funktionsweise der BSZ am Beispiel der PEMFC Sandwichprinzip Im Kern Protonenaustauschmembran (PEM= Polymer-Elektrolyt Elektrolyt- Membran) PEM trägt an jeder Seite eine dünne Katalysatorschicht (Platin) und eine gasdurchlässige ssige Elektrode aus Graphitpapier Außen: zwei Gaskanäle (Wasserstoff- und Sauerstoff-Einstrom)

15 Funktionsweise PEMFC Katalysator zerlegt Wasserstoff in ein Elektron und ein Proton Die e-e können aber im Gegensatz zu den Protonen nicht durch die PEM- Folie Spannungsdifferenz an den Elektroden Gleichstrom Endprodukt ist Wasser

16 Film Funktionsweise BSZ brennstoffzelle.ex

17 Brennstoffzellentypen Unterschiede: Betriebstemperatur und Elektrolyt Gemeinsam: leitfähiger Elektrolyt trennt Kathode und Anode Elektrolyt kann aus verschiedenen Stoffen, wie Polymeren, Laugen, Salzen oder Keramik bestehen und kann flüssig oder fest sein

18 Brennstoffzellentypen Jeder Typ hat»sein«einsatzgebiet: Niedertemperatur-Brennstoffzellen liefern sofort nach dem Start Energie und eignen sich besonders für f r Kraftfahrzeugantriebe. Hochtemperatur-Brennstoffzellen lassen sich wegen der anfallenden Wärme W gut für f Nahwärmenetze oder als Prozessenergie- Lieferanten einsetzen.

19 Übersicht Brennstoffzellentypen Bezeichnung Kurzform Elekrtolyt Brennstoff Oxidant Betriebs- temperatur Einsatz- gebiet Alkalische BZ AFC 80 C Kalilauge Wasserstoff Sauerstoff Raumfahrt PEMFC 80 C Festpolymer Wasserstoff, Methanol Sauerstoff Polymer- Elektrolyt- Membran-BZ Luftverkehr, Kleinkraft- werke Phosphor- sauere BZ Erdgas Luft PAFC 200 C Phosphorsäure Heizkraft- werke Schmelz- karbonat-bz MCFC 650 C Lithium- und Kalium- karbonat Erdgas, Kohle- und Biogas Luft Krfatwerke, Heizkraft- werke Oxid- keramische BZ SOFC 1000 C Zirkonoxid (ZrO 2 ) Erdgas, Kohle- und Biogas Luft Kraftwerke, Heizkraft- werke

20

21 Biogas Zusammensetzung von Biogas Methan (CH4) Wasser (H2O) Kompo- nente Kohlen- dioxid (CO2) Stick- Stoff (N2) Wasser- Stoff (H2) Sauer- stoff (O2) Schwefel- wasser- stoff (H2S) Anteil am Biogas (%)

22 Bestandteile von Biogas Unerwünschte nschte Bestandteile wie Schwefelwasserstoff, Ammoniak etc. werden dem Biogas vor techn.. Nutzung entzogen Wertgebender Teil: Methan Klärschlamm, Dünger, D Energiepflanzen (Mais) als Ausgangsstoffe für f r die Biogasproduktion Landwirtschaft als größ ößter Lieferant

23 Die Gülle G von einer Kuh könntek eine Menge von ca. 0,15 kw Strom erzeugen. Ein Haushalt von 4 Personen könnte sich also mit der Gülle G von 4 Kühen K mit Strom versorgen

24 Entstehung von Biogas Biogasanlage mit anpassungsfähigen Mikroorganismen, die organische Substanzen abbauen Unterschiedliche Mikroorganismen je nach Arbeitstemperatur Je nach Temperaturniveau ergibt sich eine unterschiedl. Geschwindigkeit im Abbauprozess Im thermophilen Bereich (43-55 C) laufen bestimmte Phasen des Gärprozesses G schneller ab als im mesophilen Bereich (30-42 C)

25 Tabelle (entnommen aus Biogashandbuch Bayern Stand: 15. November 2004 )

26 Abbau der org. Substanz in vier Biochemischen Einzelprozessen Anaerober (ohne O 2 ) Abbau 1. Hydrolyse (Bakterien zerlegen Makromoleküle wie Cellulose, Fette etc. in Bruchstücke) cke) 2. Versäuerung uerung: : aus Bruchstücken cken entstehen kurzkettige org. SäurenS 3. Essigsäurebildung urebildung: : org. Säuren werden unter Wasserstoffbildung zu Essigsäure abgebaut 4. Methanisierung: : Essigsäure wird zu Methan und CO 2 gespalten

27 Faultürme in Ahlen

28 Die jüngste j Klärgas BSZ-Anlage in Ahlen Wie sehen Bau und Funktion einer solchen Anlage aus? Welche Brennstoffzelle wird benutzt? Ist ein interner oder externer Reformer vorhanden? Wie groß ist der Aufwand zur Gasreinigung? Wie hoch sind die Schadstoffemissionen im Vergleich zum Verbrennungsmotor? Wie hoch sind die Kosten im Gegensatz zum Verbrennungsmotor? Wie groß sind Arbeits- und Zeitaufwand Wartung? Tauchen Probleme hinsichtlich der Hygiene und der Gesundheit auf? Wie viele Arbeiter sind dauerhaft / zeitweise eingestellt? Gibt es Unterschiede bezüglich der Wirkungsgrade einer Klärgasanlage mit Brennstoffzelle im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor? Welche Temperaturen herrschen in den Faultürmen der Klärgasanlage? Nach welcher Zeit werden die Kosten vom Bau wieder gedeckt? (Ab wann arbeitet die Anlage mit Gewinn?)

29 Bau und Funktion der klärgasbetriebenen BSZ in Ahlen Karbonat-Schmelzbrennstoffzelle (MCFC) 600 C C Betriebstemperatur Internes Reforming mit gleichzeitigem Kühlen K der Anlage Die Abwärme der BSZ wird genutzt um die Faultürme bei konstanten 36 C C (mesophiler( Bereich) zu halten Restliche Abwärme für f Reforming und Gebäudeheizung

30 Vom Rohstoff zur Energie in einer MCFC 1. Das Methangas stammt aus den Faultürmen der Kläranlage

31 Vom Rohstoff zur Energie in einer MCFC 2. Gasreinigung: - Trocknung des Gases - Gas wird über Aktiv- Kohle-Strecke geleitet (dient im wesentlichen der Entschwefelung)

32 Vom Rohstoff zur Energie in einer MCFC 3. Das Gas durchläuft uft eine Umschaltzentrale (denn die Anlage kann mit Methangas aus Klärschlamm und Erdgas alternativ laufen) 4. Das Gas durchläuft uft einen Gasverdichter um den Gasdruck zu erhöhen hen 5. Das Gas gelangt über eine Gasregelstrecke zur Anlage

33 Vom Rohstoff zur Energie in einer MCFC 6. Reforming: : Methan wird in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zerlegt

34 Reformierung von Erdgas (lösen des Wasserstoffs aus einer Verbindung) Spaltung zum Gasgemisch (Produktionswärme rme und Wasserdampf nötig) n Oxidation von CO zu CO2

35 Vom Rohstoff zur Energie in einer MCFC 7. Das Gas gelangt vom Media Supply (Aktivkohlefilter, Prereformer etc.) zum HotModule mit der innenliegenden BSZ als Herz der Anlage

36 Aufbau MCFC Brennstoffzellen-Stacks (1 m breit, 1,30 m hoch) Das Gas strömt durch den Zellenstapel in einen katalytischen Brenner Wird vom Rezirkulationsgebläse se umgewältzt und gelangt zur Kathode

37 Aufbau MCFC Andersrum PEMFC: Ionen wandern von der Kathode zur Anode CO 2 wird an der Kathode eingeleitet und Sauerstoff- Ionen reagieren zu Carbonat- Ionen O²- + CO 2 -> > CO 3 ²- Die CO3²- -Ionen wandern durch den Elektrolyten zur Anode Reaktion mit zwei Protonen zu Kohlensäure (H 2 CO 3 ) Diese zerfällt zu Wasser und CO 2 Enstandenes CO 2 wird dem Kathodenluftstrom wieder beigemischt (Kreislauf)

38 Vom Rohstoff zur Energie in einer MCFC 8. Der Inverter wandelt die im HotModule erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung um

39 Brennstoffzelle im Vergleich zum Verbrennungsmotor bzl. Schadstoffemissionen BSZ: das ausgestoßene ene CO 2 verhält sich umweltneutral natürlicher Kreislauf Assimilation/Dissimilation Assimilation= die Umwandlung von körperfremden k Stoffen in körpereigenek Bei der Dissimilation werden diese Stoffe wieder zu körperfremden k Stoffen, die ausgeschieden werden. Die TA Luft (technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft) kontrolliert den Ausstoß weiterer Luftschadstoffe

40 Grenzwerte für f r Gasmotoren Kohlenmonoxid: 650 mg/m³ Stickoxide: 500 mg/m³ KW ohne Methan: 150 mg/m³

41 Schadstoffemissionen BSZ CO: : mg/m Stickoxide: : 3-53 mg/m KW: : 3-63 mg/m (-Methan) Verbrennungsmotor 300 mg/m³ 10 mg/m³ 300 mg/m 5 mg/m³ 250 mg/m³ 6 mg/m³ 115 mg/m³ deutliche Vorteile Brennstoffzelle

42 Spezifische limitierte Luftschadstoffemissionen verschiedener station ationärer Elektrizitätserzeugungstechniken tserzeugungstechniken

43 Wirtschaftlichkeit BSZ-VM BSZ (MCFC) WG: : 47% 36% Kosten: : 3 Mio VM Euro BSZ führen f noch nicht zu einem Gewinn Zu hohe Produktionskosten da nur geringe Stückzahlenproduktion

44 Fördergelder BSZ in Ahlen vom Umweltministerium Nordrhein- Westfalen und DaimlerChrysler AG gefördert Verkehrsminister W. Tiefensee kündigte k am an in den nächsten n 10 Jahren 500 Mio. Euro in die Weiterentwicklung der Wasserstofftechnik zu investieren Fehlt dann der nötige n Druck zum techn. Fortschritt???

45 Alles eine Illusion? Die Vorstellung dass Menschen in 150 Jahren nur von Biogas Energie beziehen ist tatsächlich eine Illusion! Denn unter Einbeziehung aller landwirtschaftlicher Brachflächen chen in Europa könnten max. 10 % des europ.. Energiebedarfs gedeckt werden. Zur Zeit beträgt die energetische Nutzung von Klärgas, Biogas, Brennholz und Ölpflanzen etc. nur ca. 1 % des Bedarfs

46

47 Resumé BSZ (Biogas).. Vorteile... Geringe Schadstoffemissionen Hoher Wirkungsgrad Bessere Ausnutzung der eingebrachten Energie

48 Umdenken und Entwickeln. Das ein Umdenken unumgänglich nglich ist werden die Menschen spätestens dann wahrnehmen wenn es heißt: Steig auf dein Fahrrad oder fahre mit Hybridantrieb!!!

49 Literatur Biogashandbuch Bayern Stand: 15. November 2004 Brennstoffzellen Magazin Forschung, Entwicklung, Praxis ; ; Heinrich Publikationen GmbH, Ausgabe September 2005 DaimlerChrysler-Energy for the Future wikipedia.org/.org/wiki/biogas zelltypen/geschichte/index.shtmlindex.shtml dresden.de/de/ /de/fuelcell/types.html cell-projekt.de/de/ /de/prinzip/brennstoffzellentypen.html nachbar.de/home/nutzen/ /nutzen/nu-forschung/nu-fo-brenns wirfuersie/biogas biogas/josefhofmann.pdf Landwirtschaftliche Biogaserzeugung, Leitfaden für f r Landwirte und Berater, 2006 Beratungsgrundlage, Hrsg: : Landwirtschaftskammer Niedersachsen, Februar zelltypen/mcfc/funktion.shtmlfunktion.shtml brennstoffzelle.de/projekt/intro1.html pdf-files/stabsabteilung/01324.pdf generator.aspx/info-welt/wissen-und- technik/brennstoffzelle brennstoffzelle/demonstrationsprojekte/ahlen/language=de/id=259004/ /id=259004/ahlen.html

50 Ende!!! Diskussion

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