EVN-Fachforum. Maria-Enzersdorf, 15. Oktober Brennstoffzellen-Heizgeräte, Typen, Entwicklungsstand und Anwendungen

Transkript

1 EVN-Fachforum Maria-Enzersdorf, 15. Oktober 2002 Brennstoffzellen-Heizgeräte, Typen, Entwicklungsstand und Anwendungen Dipl.-Ing. Heinrich Wilk Energie AG Oberösterreich A 4021 Linz, Böhmerwaldstr. 3 heinrich.wilk@energieag.at WILK

2 Zusammenfassung: Der Ursprung der Brennstoffzellen war in der Raumfahrt Was passiert in der Brennstoffzelle: dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme aus Wasserstoff (Erdgas) und Luftsauerstoff Motivation: effizienter Brennstoffeinsatz, Gaskessel der auch Strom erzeugt, Klima Kyoto Ziel, CO 2 -Reduktion 13 % bis 2010 (A) Hoher (Teillast-) Wirkungsgrad, geringe Emissionen Dezentrale Erzeugung von Strom u. Wärme (Gas-BHKW) Günstige Einbindung in Niedertemperatur-Heizsysteme Einfache Integration in das Niederspannungsnetz Marktchancen: ja, wenn Reduktion bei den Gerätekosten erreicht werden kann, Entwicklung abhängig von Ölpreis und Gaspreis Marktpotentiale bei Neubau und Nachrüstung (ca Kessel/Jahr) Erfolgreiche Pilot-Projekte in Österreich, Deutschland, USA, CH Status heute: einige Pilotanlagen sind heute bei ausgesuchten Kunden im unbeaufsichtigten Dauerbetrieb WILK

3 Faktoren für eine positive Entwicklung: Klima Kyoto Ziel: CO 2 -Reduktion 13 % bis 2010 (A) EU-Weißbuch: Erneuerbare Energie 5 ->12% bis 2010 Hoher (Teillast-) Wirkungsgrad, geringe Emissionen Dezentrale Erzeugung von Strom u. Wärme (BHKW) Günstige Einbindung in Niedertemperatur-Heizsysteme Marktpotentiale bei Neubau und Nachrüstung Erfolgreiche Pilot-Projekte in Deutschland, USA, CH WILK

4 Faktoren die bremsend wirken können: Sinkende Strompreise/steigende Gaspreise Hohe Startkosten, erst ab 2005 in Kleinserie verfügbar Verdrängungswettbewerb im Heizungsmarkt Gleichlauf von Strom- u. Wärmeabnahme erforderlich Konkurrenz durch kleine Gasmotor-BHKW Aufwendigere Technik Sicherheitsstandards CE-Zeichen Genehmigungsverfahren, TÜV, DVGW Installateure noch nicht geschult WILK

5 Einteilung der Brennstoffzellentypen Abk.: Name: Betriebstemp.: h el : AFC Alkalische BZ < 100 C bis > 70 % PEFC Polymermembran BZ C etwa 40 % PAFC Phosphorsaure BZ C etwa 40 % MCFC Alkalikarbonatschmelzen BZ C bis > 60 % SOFC Metalloxidkeramische BZ C bis 70 % AFC PAFC MCFC PEFC SOFC WILK Quelle: Zappe/OÖ Ferngas AG

6 H 2 O 2 e - Elektrode (Anode) Elektrolyt (Ionenleiter) H + Elektrode (Kathode) Elektrode: elektrisch leitend enthält Katalysator Elektrolyt: guter Ionenleiter schlechter Elektronenleiter H 2 O WILK , Quelle: ZSW, PEM Funktionsweise

7 Verwendbare Brennstoffe: Wasserstoff Methanol (Direktmethanol-BZ) Kohlenwasserstoffe intern oder extern reformiert Methanol Erdgas (Methan) Biogas, Klärgas, Deponiegas (50-60 % Methan) Flüssiggas Benzin Diesel, Kerosin WILK,

8 CH 4 H 2 O 800 C Reformer CH 4 + H 2 O -> CO + 3 H 2 Abgas HT- Shift 400 C LT- Shift 200 C SelOx < 80 C Luft CO + ½O 2 -> CO 2 Anodenrestgas Nachbrenner CO + H 2 O -> CO 2 + H 2 WILK Quelle: ZSW Kathodenabluft PEMFC Luft

9 Haus- Energiezentrale Schema des Systems WILK Quelle: HGC 1999

10 Thermische Einbindung von BZ-Anlagen: Erforderliches Temperaturniveau, T-Vorlauf: Einfamilienhäuser, alt 90 C Niedrigenergiehäuser 40 C Mehrfamilienhäuser C Nahwärmesysteme 95 C Fernwärmesysteme bis 130 C Warmwasserbereitung 65 C... Legionellen! WILK

11 Heizleistung für ein Einfamilienhaus: 8 7 kw Jän Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez WILK B8135: 8 kw, 4 Pers. 50 Liter/Tag mit 60 C Heizung Warmwasser

12 Integration der BZ: Kaskadenschaltung (parallel) Brennstoffzellen- Heizgerät WILK Kessel Pufferspeicher oder hydraulische Weiche

13 Betriebsweise: Ideal: Winter: Sommer: 8760 Vollaststunden/Jahr wärmegeführt stromgeführt oder abstellen Auslegung --> Grundlast abdecken: Strom: ca. 0,2 kw el. pro Einfamilienhaus Warmwasser: Sommerminimum abdecken 0,5 kw pro Haushalt WILK

14 Vaillant Brennstoffzellen-Heizgerät: Plug Power & GE Pel.= 4,6 kw Erdgas-Reformer PEM-Zellenstapel CE-Zertifikat (11/2001) 2002: 3 Feldtestanlagen 2003: 50 Pilotanlagen Foto: Wilk, , ISH Frankfurt, BZ in realen Demobetrieb!

15 Vaillant Brennstoffzellen Heizgerät Bergmannstrasse, Gelsenkirchen Start im Mehrfamilienhaus 12/2001 Fotos: Vaillant

16 ARGE Brennstoffzelle Sulzer Hexis AG, HXS kw el., 2,5-16 kw therm. In Betrieb seit 23. Jänner 2002 WILK

17 ARGE Brennstoffzelle Eröffnung

18 RWE: Feldtest im Ruhrgebiet 25 Avanti -BZ-Geräten 2002/2003 Pel. = 5 kw Ptherm. = 7 kw Technologiepartner: Nuvera (PEM-BZ) WILK Foto:Wilk, Hannover Messe, 16. April 2002

19 RWE Meteorit BZ-Test Pavillon Essen MTU NUVERA SIEMENS WILK Foto:MTU-Presse, Hannover Messe, 16. April 2002

20 Integration von BZ ins EVU-Netz Grundlast Spitzenlast Notstromversorgung, Premium Power Kriterien für den Netzparallelbetrieb ENS bzw. Frequenzrelais, Spannungsrelais Stromqualität, Wechselrichter, cos ϕ Stromharmonische, ÖVE-B EN 60555, EN ÖVE EN 1, ÖVE ÖNORM E8001, U BZ-DC >120V, Schutz bei indirektem Berühren WILK

21 AC DC BZ im Ortsnetz WILK BZ Netz

22 Integration der BZ in das elektrische System des Gebäudes: Hausverteiler DC DC DC AC ENS WILK Brennstoffzellenstapel Wechselrichter DC-Konverter V Netzüberwachung Haushalt dc Netz WILK

23 Lastgang Haushalt; Mittwoch Watt --> :15 01:15 02:15 03:15 04:15 05:15 06:15 07:15 08:15 09:15 10:15 11:15 12:15 13:15 14:15 15:15 16:15 17:15 18:15 19:15 20:15 21:15 22:15 23:15 WILK kwh/a, 4 Personen ohne Warmwasser

24 Strombilanz: BZ-Anlage und Haushalt % --> BZ-Deckungsgrad kw Pel. --> WILK ; BZ-Dauerbetrieb mit Nennleistung Pel. 4 Personen-Haushalt: 73,6 kwh/woche, 3800 kwh/jahr

25 -BHKW Anwendung Nahwärmeversorgung Nürnberg: Heizwerk für 763 Wohnungen 200 kw ONSI Grundlast! WILK Foto Wilk 3/1999

26 -BHKW Wirkungsgrade: 200 kw PAFC BHKW, ONSI USA WILK Quelle: HGC Hamburg, ONSI PC 25C

27 -BHKW MTU: HotModule im BZ-Pavillon RWE Essen Pel. = 250 kw Ptherm. = 170 kw Tcell. = 650 C 2,4 Mio. Euro WILK Foto: MTU-Presse, Hannover Messe, 16. April 2002

28 -BHKW 1 MW SOFC: Siemens WILK Quelle: Siemens

29 -BHKW Basel: EBM Alstom Ballard 250 kwel. PEM-BZ Okt 2000 η el. = 35,1 % η ges. = 76 % WILK , Elektra Birseck Münchenstein

30 BZ-Hersteller, Preise EURO/kWel kw Pel. --> WILK