Die Zukunft der Brennstoffzelle

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Friedrich Adolph Graf
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1 Die Zukunft der Brennstoffzelle Forschung & Entwicklung am Westfälischen Energieinstitut der Fachhochschule Gelsenkirchen Prof. Dr.-Ing. Michael Brodmann Vizepräsident für Forschung und Entwicklung der Fachhochschule Gelsenkirchen Direktor des Westfälischen Energieinstituts FVI Forum Vision Instandhaltung 1. FVI-Forum Brennstoffzellen und Instandhaltung 02. Februar 2012, Herborn

2 Übersicht Problemstellung in der Energiewirtschaft Brennstoffzellen, ein Teil der Lösung Brennstoffzellen: modulares System - eine Lösung für die Tasche Systemintegration als Schlüssel zum Erfolg Entwicklungsbedarf Chancen für die Brennstoffzelle Entwicklungen am Westfälischen Energieinstitut Kontakt

3 Was ist das eigentliche Problem? Diskontinuierliche Einspeisung aus regenerativen Energiequellen Wind Power Supply & Demand 800 Wind Power Supply [kw] 750 Consumer Demand [kw] Eine Woche Power Balance (kw) Karl H. Klug Time (day s)

4 Diskontinuierliche Einspeisung: Lösungsansätze 1.) Automatische Regelung Automatisiertes Zuschalten von zeitunkritischen Verbrauchern. Technische Umsetzung: Smart-Grid-Light Problem: Funktioniert nur, wenn Überangebot vorhanden ist, also in eine Richtung. Was passiert, wenn zu wenig elektrische Energie zur Verfügung steht? 2.) Energiespeicher Zwischenspeichern von augenblicklich nicht benötigter Energie Technische Umsetzung: Kurzzeitspeicherung Batteriesysteme (u. U. Verbindung zur E-Mobility) Langzeitspeicherung Wasserstoffwirtschaft oder Generierung SynGas ( künstliches Methan Powerto-Gas) Probleme: Systeme zu teuer Ist es eine Frage der Zeit bis zur Wirtschaftlichkeit? Verzichten wir auf elektrische Energie, wenn die Energiegewinnung aus fossilen Energieträgern zu teuer wird? H2-Infrastruktur Gute Technologien bringen die Infrastruktur im Schlepptau mit (vgl. Straßenverkehrsnetz, Internet)! Power-to-Gas Eine Option? Oder zu geringer Wirkungsgrad? Machbarkeit und Zuverlässigkeit

Wasserstoff elektrische Energie Wirkungsgrade

Verbrennungsmotoren Brennstoffzellen 0% 0 200

5 Wasserstoff elektrische Energie Wirkungsgrade verschiedener Energiewandlungsprozesse 100% 80% maximaler Wirkungsgrad 60% 40% PEM H2-Verbrennung SOFC GUD 20% T Umgebung =25 C Verbrennungsmotoren Brennstoffzellen 0% Prozesstemperatur [ C]

6 Brennstoffzellen, Baustein zur Lösung des Energiespeichersystems 1839 um 1965 Entwicklung der Brennstoffzellentechnik

Neue Lösungen aus dem Westfälischen Energieinstitut Nachteile eines konventionellen Stacks Bei Defekt einer Zelle: o Disassemblierung des gesamten Stacks o Ersetzten des gesamten Stacks Bei

7 Neue Lösungen aus dem Westfälischen Energieinstitut Nachteile eines konventionellen Stacks Bei Defekt einer Zelle: o Disassemblierung des gesamten Stacks o Ersetzten des gesamten Stacks Bei Degradation des Stacks: o Ersetzen des gesamten Stacks Ungleichmäßige Verpressung der Zellen Ungleichmäßige Temperaturverteilung o Aufwendige Kühlstrukturen o Großes Bauvolumen bei Luftkühlung Zielsetzung für ein neues Stackkonzept Austauschen einer Zelle ohne großen Aufwand Gleichmäßige Verpressung und intelligentes Austragen der Verlustleistung Modularer, robuster FC-Stack Standard FC-Stack Modularer FC-Stack

8 Brennstoffzellen-Einzeller Clips für die Gasversorgung Polplatten zum Transport der Prozessgase Dichtung CCM/GDL-Assembly

9 Druckbehälter Druckkörper Elektrische Kontaktierung Taschen für Zellaufnahme

10 Bestückter Brennstoffzellenstack / Elektrolyseurstack

11 Neue Lösungen aus dem Westfälischen Energieinstitut 1839 um Entwicklung der Brennstoffzellentechnik

12 Neue Lösungen aus dem Westfälischen Energieinstitut Patentwettbewerb ZukunftErfindenNRW 2. Preis für das modulare Taschenkonzept

Im System findet die Brennstoffzelle ihren Platz

80% Windertrag Windkraftanlage Halde Hoppenbruch 2006 +

0,0 Kapazität 60% 0% Power [kw] 30,0 20,0 20% 10,0 0% -20%

978,25 1222 75 1467,25 1711 75 1956,25 2200,75 2445,25 2689

4645 75 4890 25 5134,75 5379,25 5623 75 5868,25 6112,75

13 Im System findet die Brennstoffzelle ihren Platz Windkraftanlage Elektrolyseur Brennstoffzelle % 100% 80% Windertrag Windkraftanlage Halde Hoppenbruch H2-Speicher 60,0 50,0 Power Supply and Demand ( ) 0,0 Kapazität 60% 0% Power [kw] 30,0 20,0 20% 10,0 0% -20% Stunden ( ) 0, ,75 978, , , , , , , , , , , , , , , , ,0 Hour Karl H. Klug 2011

Brennstoffzellenstacks für die diversen Einsatzmöglichkeiten sind vorhanden bz

14 Wo besteht noch Entwicklungsbedarf? Erledigt: Effiziente Energiewandlung mit Hilfe einer Brennstoffzelle Einige Hersteller haben Lebensdauer und Robustheit für einige Applikationen bereits bewiesen Innovative Brennstoffzellenstacks für die diversen Einsatzmöglichkeiten sind vorhanden bzw. in Entwicklung befindlich Entwicklungsbedarf: Lebensdauer für Dauerapplikationen (z.b. Heizgeräte) Peripherie (zuverlässiger, geringerer Leistungsverbrauch) Gesamtsystemkosten Zertifizierung von Komponenten und Systemen Verbesserung der Wartbarkeit und Instandhaltung Entscheidungsbedarf: Wasserstoffinfrastruktur: Wasserstoffnetz vs. syn. Erdgas H2O Handlungsbedarf: Integration in die Energielandschaft

15 Wo sehen wir den Einsatz der Brennstoffzellen? 1. Effiziente dezentrale Hausenergieversorgung (KWKK) Wasserstoff PEM-FC Erdgas SOFC (vgl. Abbildung: BlueGEN von CFCL) Elektrischer Wirkungsgrad oberhalb von 60 %

16 Wo sehen wir den Einsatz der Brennstoffzellen? 2. Wasserstoffeinsatz im Automobil Abbildung Quelle: Adam Opel GmbH, 2010

17 Wo sehen wir den Einsatz der Brennstoffzellen? 3. Unterbrechungsfreie Spannungsversorgungen / Insellösungen Anforderungen: Langzeitbetrieb und / oder Langzeitspeicherung Hohe Energiedichten und leichte Auftankbarkeit bieten Vorteile, die für diese Fälle die Potentiale von Wasserstoffsystemen mit Brennstoffzellen erkennen lassen. Daher existieren heute bereits Lösungen zur elektrischen Versorgung von dezentralen Verbrauchern.

Größenordnung von 60% bietet GuD- Kraftwerk Abbildung: E.ON Energy Projects GmbH 2012 2.

18 Wo sehen wir den Einsatz der Brennstoffzellen NICHT? 1. Im großindustriellen Maßstab, da bewährte Technik mit Wasserstoff befeuerbar ebenfalls Wirkungsgrade in der Größenordnung von 60% bietet GuD- Kraftwerk Abbildung: E.ON Energy Projects GmbH Im Moment sehen wir die Brennstoffzelle noch nicht in der Massenapplikation in der kleine Energiemengen benötigt werden. Hier hat aus unserer Sicht die Batterie als Energiespeicher mittelfristig noch immer die Nase vorn.

19 Entwicklungen am Westfälischen Energieinstitut 2003 Regelungsstrategien für Brennstoffzellensysteme Entwicklung von Low-Cost / High-Performance-Prüfanlagen für PEM- Brennstoffzellensysteme 2006 Entwicklung von graphitischen und metallischen PEM-Stacks Entwicklung eines PV-gespeisten Energiespeichersystems auf H2-Basis 2008 Entwicklung eines modularen Brennstoffzellenkonzeptes Entwicklung einer autarken Energieversorgung mit einer FC Entwicklung eines modularen Taschensystems für Brennstoffzellenstacks und Elektrolyseurstacks 2012 Entwicklung eines Elektrolyseurstacks Entwicklung eines modularen Prüfsystems für PEM-Membranen, GDLs Aktuelles durch NRW gefördertes Forschungsvorhaben: Neuartige Membranbeschichtungen für PEM-Brennstoffzellen & Elektrolyseure

20 Kompetenz in der Wasserstofftechnik Flow-Field Entwicklung Brennstoffzellenproduktion Testen von Brennstoffzellen Intelligente Regelung Bedienen und Beobachten Datenbanksystem

21 Laboratorien Entwicklung und Prüfung von Wasserstoffsystemen Brennstoffzellenlabor Entwicklung von Leistungselektronik Materialanalysen Leistungselektroniklabor Werkstoffkundelabor

22 Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Michael Brodmann - Vizepräsident für Forschung und Entwicklung der Fachhochschule Gelsenkirchen - Direktor des Westfälischen Energieinstituts Fon: 0209/ Mail: michael.brodmann@fh-gelsenkirchen.de Martin Greda Projektkoordinator Kompetenzplattform Angewandte Energiesystemtechnik Fon: 0209/ Mail: martin.greda@fh-gelsenkirchen.de Web:

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