Projektarbeit Thema: Energieumwandlung auf der Basis von Brennstoffzellen

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1 Projektarbeit Thema: Energieumwandlung auf der Basis von Brennstoffzellen Erstellt von : Dirk Schmidt / Klasse VE 99 Abgabetermin : 30. April 2001

2 INHALT Seite: 1 Einleitung 2 2 Allgemeine Energie- und Umweltsituation Energie heute Umwelt und Klima 4 3 Die Geschichte der Brennstoffzelle 5 4 Aufbau und Wirkungsweise der Brennstoffzellen Grundprinzip Prinzipieller Aufbau Prinzipielle Wirkungsweise Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen Einteilung der Brennstoffzellentypen Brennstoffzellentypen Überblick Niedertemperatur- Brennstoffzellen Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) Die Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle (PEMFC) Die Direktmethanol- Brennstoffzelle (DMFC) Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) Hochtemperatur- Brennstoffzellen Die Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle (MCFC) Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) 22 5 Zukünftige Bedeutung der Brennstoffzellen Anwendungsbereiche im Überblick Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeversorgung 25 6 Schlussbemerkung 27 7 Anhang Literaturverzeichnis Eigenständigkeitserklärung Referenzen über den erfolgreichen Einsatz von Brennstoffzellen 31 1

3 1 Einleitung Hervorgerufen durch die Einsicht in die Notwendigkeit einer nachhaltigen und umweltbewussteren Energieversorgung treten Brennstoffzellen seit Ende der 80er Jahre immer stärker in den Vordergrund energietechnischer Entwicklungen. Sowohl für mobile Anwendungen als Antriebsquelle für Kraftfahrzeuge, Lokomotiven und Schiffe, als auch für stationäre Anwendungen als Blockheizkraftwerke (BHKW) sind Prototypanlagen im Einsatz, die die grundsätzliche Eignung und die ökologischen Vorteile solcher Alternativen zu den klassischen thermodynamischen Kreisprozessen demonstrieren. Die Betriebsweise heutiger kommerziell erhältlicher Niedertemperatur-Brennstoffzellen ist mit der von herkömmlichen Blockheizkraftwerken (Verbrennungsmotor, Gasturbine) vergleichbar. Meistens werden sie in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zur Energieversorgung ganzer Gebäude betrieben. Aus zahlreichen Demonstrationsprojekten sind erste praktische Erfahrungen gesammelt worden, die unter dem Gesichtspunkt der umweltfreundlicheren Energieversorgung realistisch eingeschätzt werden müssen. Der Vorteil der Niedertemperatur-Brennstoffzellen liegt noch derzeit weniger in der Brennstoffeinsparung, sondern eher in geringeren Schadstoff- und Schallemissionen, und dem geringeren Wartungsaufwand. Gegen Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen im jeweiligen betrachteten Marktbereich werden sie sich durchsetzen, wenn sich diese Brennstoffzellen zu konkurrenzfähigen Preisen herstellen lassen, was zur Zeit noch nicht der Fall ist. Den elektrischen Wirkungsgrad betreffend, sind jedoch erst die Hochtemperatur- Brennstoffzellen in Verbindung mit nachgeschalteten Wärme-Kraft-Maschinen (Gasturbinen, Dampfturbinen) interessant. Erste Abschätzungen zeigen Wirkungsgradpotentiale von 70%, vor allem im unteren Leistungsbereich von 0,2 bis 5 MW auf, was gegenüber den o.g. Vergleichstechnologien einen Quantensprung darstellt. Die Planung zukünftiger Energieversorgungen muss daher heute zunehmend unter Berücksichtigung des Potentials von Brennstoffzellen erfolgen. Obwohl grob betrachtet Erfahrungen mit klassischen Technologien helfen können, liegen bei Brennstoffzellen die Probleme im einzelnen Detail, so dass immer neue Fragen aufgeworfen werden. Ziel dieser Projektarbeit ist es, die Grundzüge der einzelnen Brennstoffzellentypen, und deren allgemeine anlagentechnische Umsetzung leicht verständlich, zu erläutern. 2

4 2 Allgemeine Energie- und Umweltsituation 2.1 Energie heute Die Gewinnung von Energie ist in der heutigen Zeit zum Thema Nr. 1 geworden. Durch immer steigende Bedürfnisse der Menschheit ist auch der Bedarf an Energie gestiegen und es wird stetig geforscht um mit immer effektiveren und geringsten Verlusten, Energie zu gewinnen. Bei den verschiedenen Formen der Energie wie z.b. Wärme, Elektrizität und Treibstoffen muss nicht nur über die Quellen nachgedacht werden, sondern auch über deren Umwandlung, Speicherung und Transport. Energie aus Brennstoffen wie Kohle, Erdöl und Erdgas werden zukünftig durch immer weniger Ressourcen und Gefahren für Mensch und Umwelt unattraktiv sein. Selbes gilt für die Gewinnung aus der Spaltung von Atomkernen. Diese ist die wohl gefährlichste. Anders verhält es sich bei der Gewinnung aus Wind, Wasserkraft oder Sonneneinstrahlung. Diese Formen gelten als alternative Energiegewinnung und werden heutzutage umfangreich genutzt. Bei der Gewinnung aus Kohle muss natürlich auch die Schadstoffbelastung der Umwelt berücksichtigt werden. Bei Wind und Wasserkraft ist die Abhängigkeit von der Natur sehr hoch. Bei der Sonneneinstrahlung wird ein hoher Bedarf an Fläche benötigt, der in diesen Größenordnungen, so nicht zur Verfügung steht. Die wohl derzeit attraktivste Energiequelle ist die Brennstoffzelle, deren Erforschung und Nutzung noch in den Kinderschuhen steckt. Hierbei ist das Verhältnis aus Bereitstellung von Primärenergie und Umwandlung zu Endenergie ausgewogen. Es ist jedoch notwendig, nach alternativen Energien zu suchen, um die Umwelt zu schonen und die ständige Veränderungen der klimatischen Bedingungen auf der Erde zu stoppen. Betrachtet man die Kosten, die bei der Gewinnung entstehen, schneidet die alternative Energiegewinnung eher schlecht ab. Sie werden jedoch in kleinerem Umfang zunehmend genutzt, wie z.b. eine Solar-Anlage beim Eigenheimbau berücksichtigt wird, oder in größeren Städten, Parkscheinautomaten unterstützend mit Solarenergie betrieben werden. Auch ist zunehmend die Nutzung von Windenergie besonders in ländlichen Gegenden zu beobachten. Die Kosten für die Anschaffung solcher Anlagen ist jedoch noch sehr hoch und rechnet sich erst nach einigen Jahren. Jedoch fordern Umwelt und Klimatische Bedingungen Handlungsbedarf und somit wird ständig geforscht und weiterentwickelt um die Ausbeute zu steigern und Kosten zu senken. Eine Weiterentwicklung ist aber auch ganz wichtig, unseren Kindern, Enkeln und Urenkeln eine Chance zu geben, um unter normalen Bedingungen leben, forschen und entwickeln zu können. 3

5 2.2 Umwelt und Klima Grundvoraussetzung für eine Realisierung der Möglichkeiten einer umweltverträglichen Nutzung von Energie ist eine gerechte freie Marktwirtschaft. Jede Nutzung von Energie und Technik birgt immer Risiken. In der Vergangenheit hatte diese auch eine Ausweitung von Schäden und Schadenrisiken für Umwelt und Klima zur Folge. Es sollte also die Aufgabe der Menschen sein, Techniken und Energie in Art und Umfang so zu nutzen, dass unvermeidliche Schäden für Umwelt und Klima so gering wie möglich gehalten werden. Da der Mensch zunehmend zum funktionieren des alltäglichen Lebens enorme Mengen an Rohstoffen und Energien benötigt, ist die Gefahr für unsere Umwelt und unser Klima mehr denn je gegeben. Der Mensch sollte diese Situation Verstehen lernen und durch humanes Handeln neue Wege in die Zukunft schaffen. Betrachtet man die Kohlendioxidbelastung der Umwelt in den letzten Jahren, so muss man mit Erschrecken feststellen, dass diese enorm gestiegen ist und nur durch effektive und umweltverträgliche Maßnahmen vermindert werden kann. Statistiken zeigen, dass die CO 2 Emissionen in den letzten Jahren keinen Rückgang verzeichnen konnte im Gegenteil sie ist leicht angestiegen. In den Jahren stieg die PKW-Fahrleistung und Kohlendioxidemission gleichermaßen um 9%. Zwischen 1997 und 2001 erwartet das Umweltbundesamt eine Zunahme der Fahrleistung um 23% und einer Zunahme der CO 2 -Emissionen von ca. 15 %. Hier spielt die Weiterentwicklung der Brennstoffzelle eine große Rolle. Es ist abzusehen, dass die Schadstoffemission in den nächsten Jahren, durch entsprechende Gesetzesgebungen weiter verringert werden wird. Im Vergleich zu anderen Verfahren der Energiegewinnung verfügt die Brennstoffzelle wegen ihres hohen Wirkungsgrades und des niedrigen Schadstoffausstoßes in der Gesamtkette über Vorteile, egal ob in mobiler oder stationärer Anwendung. Dafür sprechen auch Berechnungen zur Kosten Nutzen Analyse. Abschließend ist zu sagen, dass bei derzeit hohen Anlaufkosten keine Mühe gescheut werden sollten, neue Energien effektiv zu nutzen und somit Umwelt und Klima zu schonen. 4

6 3 Die Geschichte der Brennstoffzelle Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 (22 Jahre vor der Erfindung des Viertakt-Otto-Motors) von dem in Swansea (Wales) geborenen Physiker und Jurist William Robert Grove ( ) entdeckt. Die Idee ist also gut 160 Jahre alt. Damals baute der Engländer Sir William Robert Grove eine Apparatur, in der Sauerstoff und Wasserstoff miteinander reagierten, ohne zu explodieren und dabei Strom erzeugten. (die Umkehrung der Elektrolyse) Im Zeitalter der Dampfmaschinen blieb das zunächst ein kurioses Experiment ohne praktische Folgen. Bereits im Jahre 1897 wurde von Walter Herrmann Nernst die Nernst-Lampe entwickelt, mit der die Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft einen Pavillon auf der Weltausstellung 1900 beleuchtete. Als Elektrolyt stellt die Nernst-Masse bzw. Nernst sche Spannung auch heute noch die Basis für die in der stationären Energieerzeugung vielversprechende Hochtemperaturbrennstoffzelle SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) dar wurde sie von Walther Schottky für diesen Einsatz vorgeschlagen. Wie jetzt schon zu vermuten ist, gibt es mehrere Brennstoffzellentypen, auf die später noch eingegangen wird. Die ersten brauchbareren Brennstoffzellen wurden dann in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt, um sie zur Stromversorgung an Bord der Satelliten des amerikanischen Raumfahrtprogramms zu verwenden. Später machte auch das Militär von der Brennstoffzelle Gebrauch und nutzt sie u.a. für den emissionslosen und geräuschfreien Antrieb von Elektromotoren in U-Booten. Aufgrund der Suche nach neuen von fossilen Kohlenwasserstoffen unabhängigen Energiequellen, sowie dem gestiegenen Umweltbewusstsein wurde gegen Ende der 80er Jahre erstmals ein breiteres Interesse an der Brennstoffzelle geweckt. Die Forschungsanstrengungen zu deren Realisierung wurden deutlich verstärkt. Insbesondere der Aspekt, dass die Brennstoffzelle eine Möglichkeit zur kohlendioxidfreien Erzeugung von elektrischer Energie darstellt, macht sie sowohl für die stationäre, als auch für die mobile Nutzung äußerst attraktiv. Obwohl heute der Durchbruch der Brennstoffzelle in vielen Bereichen schon vollbracht ist, wird auf diesem Gebiet der Energieerzeugung unaufhörlich weitergeforscht. Als besondere Beispiele der aktuellen Forschung sind hier die DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) und SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) zu nennen. Sir William Robert Grove Groves Versuchsaufbau Quelle: Quelle: 5

7 4 Aufbau und Wirkungsweise der Brennstoffzellen 4.1 Grundprinzip Prinzip der Elektrolyse Prinzip der Brennstoffzelle Quelle: Quelle: Das Grundprinzip der Brennstoffzelle basiert auf der elektrochemischen Reaktion von Gasen in Gegenwart eines Elektrolyten. Es kann also gesagt werden, dass das Prinzip der elektrischen Energiegewinnung in der Brennstoffzelle die Umkehrung der Jedem bekannten Elektrolyse darstellt. (obige Abbildungen sollen dies verdeutlichen) Während bei der Elektrolyse dem Wassermolekül elektrische Energie zugeführt wird, und mit einem explosionsartigem Knall in die gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet wird, reagieren in einer Brennstoffzelle H 2 und O 2 unter Abgabe elektrischer und thermischer Energie zu Wasser. Theoretisch wird die Menge elektrischer Energie erzeugt, die bei der Elektrolyse zur Spaltung des Wassers notwendig war. Mit dem auf der Erde am häufigsten vorkommenden und damit gut verfügbarem, sowie auch gut zu speichernden (vor allem Metallhydridspeicher) Wasserstoff, ist also ein Gas vorhanden, in dem elektrische Energie gespeichert und elektrischer Strom erzeugt werden kann. Der Sauerstoff muss bei den meisten Brennstoffzellentypen (die AFC ausgeschlossen) nicht gespeichert werden, da diese auch mit Luft als Oxidationsmittel funktionieren Prinzipieller Aufbau Brennstoffzelle Brennstoffzellenstack Quelle: Quelle: 6

8 Prinzipdarstellung Aufbau und Wirkungsweise der Brennstoffzelle Der prinzipielle Aufbau einer Brennstoffzelle ist wie folgt zu beschreiben. Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, einer Anode, einer Kathode, welche jeweils eine poröse Struktur aufweisen und somit gasdurchlässig sind, sowie je nach Brennstoffzellentyp einen gasdichten Elektrolyten, der entweder flüssig oder auch fest mit einer Membran-Struktur sein kann. Dieser Elektrolyt muss grundsätzlich ionisch leitend, jedoch elektronisch ein Isolator sein. Der Elektrolyt trennt die Reaktionspartner voneinander, und verhindert die direkte chemische Reaktion. Des weiteren muss ein Brennstoff an der Anode sowie Sauerstoff oder auch nur Luft als Oxidationsmittel an der Kathode zugeführt werden. Um erwünschte Spannungen zu erhalten und in einer Zelle nur eine sehr geringe Spannung erzeugt wird (berechnete Spannung unter Standardbedingungen, wie z.b. bei Zimmertemperatur beträgt U 0 = 1,23 V; technische Zellen in der Praxis liegen nur noch im Bereich von ca. 0,5 0,8 V), werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet und aufeinander gestapelt. Die theoretische Zellenspannung von 1,23 V sinkt im Betrieb bei zunehmender Zelltemperatur, bedingt durch den inneren elektrischen Widerstand bei Verrichtung elektrischer Arbeit. Dieser Stapel wird dann als Stack (aus dem Englischen übernommen und allgemein eingeführt) bezeichnet. Für die heute bereits kommerziell vertriebene ONSI- Zelle werden für eine Spannung von 180 V rund 256 Zellen in Reihe geschaltet Prinzipielle Wirkungsweise Die prinzipielle Funktionsweise wird am Beispiel einer reinen H 2 /O 2 -Zelle mit saurem Elektrolyten (z.b. PEMFC und PAFC) erklärt. (s. auch hier zur Verdeutlichung obige Abbildung) Der Brennstoffzelle wird Wasserstoff zugeführt, der an der Anode anlagert, ionisiert und Elektronen abgibt, von dem ein Teil wie folgt reagiert: H 2 => 2 H e- 7

9 Die Elektronen fließen über einen äußeren Verbraucher unter Verrichtung elektrischer Arbeit zur Kathode. Die Protonen (H + ) gelangen durch den Elektrolyten, der stark protonenleitend ist, zur Kathode. Sauerstoff wird der Kathode zugeführt, ionisiert, Elektronen werden aufgenommen, und nach folgender Gleichung umgesetzt: ½ O H e- => H 2 O In einer dritten Teilreaktion verbinden sich die Sauerstoffionen mit den Protonen zum Restprodukt Wasser: Als Gesamtreaktion ergibt sich folgende Reaktion: 2 H + + ½ O 2- => H 2 O 2 H 2 + O 2 => 2 H 2 O Von der Kathode wird der überschüssige Sauerstoff und der Wasserdampf abgeführt. Zu unterscheiden sind zwei Arten der Ionenleitung. Zum einen die Wasserstoffionenleitung, und zum anderen die Sauerstoffionenleitung. Außerdem ist zu erwähnen, dass der Ort der Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff jeweils vom Elektrolyten abhängig ist. Der Betrieb von Brennstoffzellen erfordert die Bereitstellung von Wasserstoff und Sauerstoff. Für die Gewinnung von Wasserstoff kommt bei stationären Anlagen in der Regel Erdgas zum Einsatz. Die Aufbereitung erfolgt hierbei über vorgeschaltete Reformierungsprozesse, die mit der folgenden Gleichung beschrieben werden: CH H 2 => 4 H 2 + CO 2. Erdgas ist zur Reformierung besonders gut geeignet, da das an der Anode benötigte Gas einen möglichst hohen Anteil an Wasserstoff aufweisen sollte und das Verhältnis lt. Formel (CH 4 ) Wasserstoff- zu Kohlenstoffatomen von 4 : 1 sehr gut ist. An der Kathode wird meistens wie schon erwähnt Luftsauerstoff eingesetzt, der von einem Staubfilter gereinigt wird. Methan wird in einem ersten Schritt in Wasserstoff und CO gespalten, CO in einer nachgeschalteten Reaktion und einer Feinreinigung zu H 2 und CO 2 aufoxidiert. 4.2 Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen Der entschiedenste Vorteil der Energieumwandlung von chemisch gebundener Energie in elektrische frei verfügbare Nutzenergie besteht darin, dass die Energieumwandlung bei Brennstoffzellen nicht durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und der Wirkungsgrad dieses Verfahrens hauptsächlich durch den Carnot- Faktor begrenzt ist. In herkömmlichen Kraftwerken wird chemische Energie zuerst durch Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt, aus welcher Wasserdampf zum Antrieb einer Turbine erzeugt, und damit mittels mechanischer Energie elektrische Energie erzeugt wird. Brennstoffzellen sind daher weitaus effizientere Stromerzeuger, die ohne den Umweg über Wärme direkt aus chemischer Energie, elektrische Energie erzeugen. 8

10 Besonders im Teillastbereich werden bei Brennstoffzellen schon sehr hohe Wirkungsgrade erzielt, und nicht wie bei herkömmlichen Wärmekraftwerken, die erst bei Voll- Last effektiv arbeiten, was durch folgende Abbildung veranschaulicht werden soll. Quelle: Weiterhin soll Abbildung 2 einen Vergleich mit verschiedenen Brennstoffzellentypen auf die in diesem Kapitel noch näher eingegangen wird, mit jeweils erzielbaren Wirkungsgraden, zu herkömmlichen Techniken der Elektrizitätsgewinnung aufzeigen. Abbildung 2: Quelle: 9

11 Ein weiterer führender Vorteil der Energieumwandlung auf der Basis von Brennstoffzellen, gegenüber herkömmlichen Techniken, sind weitaus geringere Schadstoffemissionen (CO 2, CO). In folgender Tabelle sind Vor- und Nachteile der Brennstoffzellen zusammengefasst aufgestellt. Vorteile: Nachteile: Hoher elektrischer und thermischer Wirkungsgrad gutes Teillastverhalten äußerst geringe oder keine Schadstoffemission seltene Störung keine rotierenden Teile in den Hauptaggregaten mit der Lebensdauer abnehmender Wirkungsgrad (5 10 %) noch hohe Investitionskosten wenig Herstellerfirmen Aufbereitung oder Herstellung von Wasserstoff nötig (Ist jedoch effizienter als Benzin, Diesel,...) lange Lebensdauer (5000 h = PKW-km) keine eindeutigen Regelwerke zukünftige Preisentwicklung 4.3 Einteilung der Brennstoffzellentypen Sechs unterschiedliche Brennstoffzellentypen sind derzeit bekannt. Sie unterscheiden sich nach Nieder- und Hochtemperaturzellen, und elektronen- und protonenleitenden Elektrolyten. In folgender Abbildung sind verschiedene Brennstoffzellentypen nach den im Elektrolyten stromtragenden Ionen, und der jeweiligen Arbeitstemperatur schematisch dargestellt. Prinzipdarstellung der Einteilung nach Arbeitstemperatur und stromtragende Ionen: Quelle: 10

12 4.4 Brennstoffzellentypen Niedertemperatur- Brennstoffzellen (Arbeitstemperatur C) AFC Alkaline Fuel Cell Alkalische Brennstoffzelle PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell oder: Proton Exchange Membrane Fuel Cell Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle DMFC Direct Methanol Fuel Cell Direktmethanol Brennstoffzelle PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell Phosphorsaure Brennstoffzelle Hochtemperatur- Brennstoffzellen (Arbeitstemperatur C) MCFC SOFC Molten Carbonate Fuel Cell Schmelzkarbonat Brennstoffzelle Solid Oxide Fuel Cell Oxidkeramische Brennstoffzelle Überblick Beriebstemperatur in C Elektrolyt AFC alkaline fuel cell 80 (60-100) Flüssige Kalilauge PEMFC polymer exchange membran fuel cell 80 (60- DMFC direct methanol fuel cell 100) (80-130) Feste Feste PAFC Phosphoric acid fuel cell 200 ( ) Flüssige Phosphor- (30%-ig) Membran Membran säure Brenngas H2 H2 CH3OH H2 MCFC molten cerbonat fuel cell 650 ( ) Flüssiges Schmelz- karbonat Erdgas SOFC solid oxide fuel cell 1000 ( ) Festoxid Erdgas aus reform. Typische Anwendung Mobil Stationär Mobil Stationär Erdgas Biogas Biogas Mobil Stationär Stationär Stationär Niedertemperatur- Brennstoffzellen Unter den Niedertemperaturzellen mit Betriebstemperaturen bis ca. 200 C, gelten die alkalischen ( Alkaline Brennstoffzellen AFC ) und phosphorsauren (Phosphoric Acid Fuel Cell PAFC) Zellen als weitgehend ausgereift. Beide Technologien sind jedoch durch Nachteile gekennzeichnet. Die u. a. von Siemens hergestellten alkalischen Zellen (AFC) lassen sich nur mit reinem Wasser- und Sauerstoff betreiben, so dass ihre Verwendung auf Spezialfälle, wie der Raumfahrt und den militärischen Sektor (spektakulärster Einsatz war ein 100 kw el U- Boot- Antrieb von Siemens) beschränkt bleibt. Den phosphorsauren Zellen wird trotz der schon bestehenden kommerziellen Vermarktung (wie z. B. die PC 25 C von ONSI) ein nur begrenztes Kosteneinsparpotential zugesprochen. 11

13 ONSI PC 25 C Quelle: Weiterhin sind die Wirkungsgrade begrenzt, wobei im Betrieb eine weitere Abnahme dieser Werte durch Temperaturzunahme zu verzeichnen ist. Als Hauptproduzenten stehen derzeit ONSI (USA), Fuji Electric und Toshiba (beide Japan) zur Verfügung. Zum Einsatz kommen diese Systeme in Deutschland z. B. bei der HEW, in Nürnberg und bei der Studiengesellschaft Brennstoffzelle e. V..Protonen- Exchange- Membrane Brennstoffzellen (PEMFC) kennzeichnen ein einfacher Aufbau, sehr flexibles Verhalten und eine hohe Leistungsdichte. Diese Eigenschaften sind die Voraussetzung dafür, dass diese Technologie neben der gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung und Notstromversorgung auch im mobilen Bereich zum Einsatz kommt. Die bereits im Einsatz befindlichen Fahrzeuge NeCar 1,2,3,4 und NeCar 5 der Fa. Daimler-Chrysler in Deutschland, und der im öffentlichen Nahverkehr in Vancouver genutzte Bus der Fa. Ballard (Canada) belegen den schon fortgeschrittenen Entwicklungsstand. Necar 1-3 Ballard- Bus in Chicago Quelle: Quelle: Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) Elektrodenreaktionen: Kathode: ½ O 2 + H 2 O + 2 e - => 2 OH - Anode: H OH - => 2 H 2 O + 2 e - Die Betriebstemperatur dieses Zellentyps beträgt ca. 80 C. Bei diesem Brennstoffzellentyp wird ein wässriger Elektrolyt mit hochkonzentrierter Kalilauge (30-45 %),welcher durch die Zelle gepumpt wird, verwendet. Der entschiedenste Nachteil dieses Elektrolyten besteht in seiner Unverträglichkeit gegenüber Kohlendioxid (CO 2 ),da es in Verbindung mit Kalilauge (KOH) zu unlöslichem Karbonat reagiert. Durch diesen Aspekt bedingt, verlangt dieser Brennstoffzellentyp nach reinstem Wasser- und Sauerstoff, demzufolge kann der Kathode keine Luft zugeführt werden, und damit bleibt der Einsatz dieser Brenn- 12

14 stoffzelle, welche in den 60er- Jahren vorigen Jahrhunderts entwickelt wurde und heute einen hohen Entwicklungsstand erreicht hat, trotz ihrer recht hohen Wirkungsgrade sehr beschränkt (meist in der Raumfahrt und militärischem Bereich). Für terrestrische Anwendungen ist sie wegen ihrer Unverträglichkeit gegenüber CO 2 eher uninteressant. Ein Vorteil der AFC besteht in der Verwendung von preiswerteren Katalysatoren, die bei niedrigen Temperaturen notwendig sind, um eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion sicherzustellen. Als Elektrodenmaterial wird anodenseitig meist Raney- Nickel, und kathodenseitig entweder Raney- Silber oder mit Edelmetallen aktivierter Kohlenstoff eingesetzt. Zur Stromableitung wird reines Nickel verwendet, und der Zellenrahmen besteht aus Kunststoff. Bisher realisierte Leistungen der AFC liegen im kw Bereich (ca kw el ). Die Forschung- und Entwicklungsaktivitäten im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen sind sehr gering. Hauptsächliche Systemkomponenten der AFC sind die Brennstoffzellenstacks selbst, die Reaktionswasserausschleusung, die Elektrolytumwälzung sowie ein Inverter zur Anpassung an die vorgegebene elektrische Anlage. APOLLO AFC der NASA Quelle: Kurzüberblick: -Wirkungsgrad: hoch (ca. 65 % elektrisch) -Brennstoffeinsatz: reinster Wasserstoff -Hauptanwendungsgebiete: Raumfahrt und Militärtechnik -führende Entwickler/Hersteller: Siemens, Varta, ELENCO (Belgien) -Leistungsgröße: kw el Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) Schematischer Aufbau einer PEMFC Quelle: 13

15 Grundprinzip und schematischer Zusammenbau eines PEM- Stacks Quelle: Elektrodenreaktionen: Kathode: ½ O H e - => H 2 O Anode: H 2 => 2 H e - Die Bezeichnung PEM- Technologie bezieht sich auf die Verwendung einer Kunststoffmembran als Elektrolyt in einer elektrochemischen Zelle. Die Abkürzung PEM wird auch oft als Proton- Exchange- Membrane bezeichnet. Dieser Brennstoffzellentyp wurde wie die AFC in den 60er- Jahren vorigen Jahrhunderts ebenfalls für den militärischen Bereich und die Raumfahrt entwickelt (z.b. eines der ersten Aggregate der Firma General Electric in den USA im Jahr 1963 mit einer elektrischen Leistung von ca. 1 kw el ), jedoch aufgrund von Mängeln (kleine Löcher) in der damaligen Membran wurde dieser Typ erst einmal zurückgestellt. Nach Entwicklung einer ca. 0,1 mm dünnen Fluormembran, wurde die Entwicklung dieses BZ- Typs in den 70er- Jahren vorerst hauptsächlich für den mobilen Einsatz wieder aufgegriffen. Diese perfluorierte Membran (z. Z. vor allem Nafion R 117 der Firma DuPont) übernimmt in einer PEM- BZ die Funktion des Elektrolyten, wobei sie für den Ionentransport sorgt, und dabei nur Protonen leitet. Im Vergleich zur alkalischen Technik ersetzt sie den sonst üblichen flüssigen Elektrolyten Kalilauge. Der Vorteil von Polymermembranen gegenüber Kalilauge als Elektrolyt ist neben einer Systemvereinfachung vor allem die damit erreichte höhere Leistungsdichte. Bei der Herstellung der Membran-Elektroden werden die Membranen mit einem edelmetallhaltigen Katalysator beschichtet (preiswerter), welcher aus materialtechnischer Sicht bedingt durch den stark saurem Charakter der Membran normalerweise aus Platin oder Platin-Legierungen bestehen müsste, wobei der polymere Elektrolyt teilweise in die porösen Elektrodenstrukturen hineinreicht. Auch hier ist wieder anzumerken, dass ein Katalysator zwecks der Reaktionsgeschwindigkeit bei niedrigen Betriebstemperaturen notwendig ist. Die Betriebstemperatur der PEMFC beträgt meistens C. 14

16 Die Stromableiter die gas- und flüssigkeitsdurchlässig sein müssen, um die Zufuhr der Reaktionsgase und die Ableitung des Reaktionswassers zu ermöglichen sind metallisch oder enthalten Kohlenstoff, welche den elektrischen Kontakt von den bipolaren Platten zu den Elektroden herstellen. Des weiteren ist eine PEM-BZ im Vergleich zu einer alkalischen Zelle unempfindlicher gegenüber Verunreinigungen durch Kohlendioxid (CO 2 ), wodurch auf die Verwendung sehr reiner Reaktionsgase verzichtet werden kann, und somit ein Brennstoffzellenbetrieb mit Luft möglich ist. Kohlenmonoxid (CO) wird jedoch wegen seiner Unverträglichkeit mit dem Katalysator nur in geringen Mengen akzeptiert. Außerdem bringt diese Membrantechnik noch weitere Vorteile mit sich. Dies betrifft die einfachere Handhabung und Wartung, da ein aufwendiges Auswechseln des Elektrolyten nicht mehr notwendig ist, und damit wird das doch bestehende Gefahrenpotential im Umgang mit ätzenden Flüssigkeiten ausgeräumt. Hauptsächliche Systemkomponenten diesen Brennstoffzellentyps sind die Brennstoffzelle selbst, die Reaktionswasserausschleusung, die Kühlung des Zellenstacks, sowie einen Inverter zur Umwandlung des Gleichstromes in Wechselstrom, und damit zur Anpassung an vorhandene elektrische Anlagen. Kurzüberblick: -Wirkungsgrad: gut (ca. 55 % elektrisch => Brennstoffabhängig) -Brennstoffeinsatz: Wasserstoff (Methanol möglich und erwünscht) -Hauptanwendungsgebiete: BHKW von kw, Fahrzeugantriebe entspr. Leistung -führende Entwickler/Hersteller: Siemens, Ballard (Kanada), Daimler-Chrysler, Toshiba -Leistungsgröße: bis 250 kw el stationär, Fahrzeugantriebe entspr. Leistung weltgrößte PEMFC ist ein U-Boot-Antrieb der Firma Siemens mit einer Leistung von 5 MW (s. auch Anhang) 3,5 kw PEMFC Fertigung eines Stacks Quelle: Quelle: 15

17 Die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) Schematischer Aufbau einer DMFC Quelle: Zellreaktion: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO H 2 O Sie zählt zu dem jüngst entwickelten Brennstoffzellentyp der Niedertemperaturzellen, obwohl sie auch schon seit Jahrzehnten bearbeitet wird, und ist als eine Weiterentwicklung der PEMFC anzusehen. Ziel ihrer Forschung und Entwicklung ist es, direkt mit Methanol als Brennstoff an der Anode, und Luft als Oxidationsmittel an der Kathode betrieben zu werden, was eine sehr interessante Alternative zum Antrieb von Fahrzeugen etwa zum Batteriebetrieb oder zur Wasserstoff-Fahrweise einer PEMFC darstellt. Weiteres zu diesem Aspekt im Kapitel der zukünftigen Bedeutung von Brennstoffzellen. Die DMFC kann entweder mit flüssigen Methanol bei einer Betriebstemperatur von C, oder mit Methanoldampf ( C) betrieben werden. Da die DMFC als Weiterentwicklung der PEMFC anzusehen ist, kann schon geschlussfolgert werden, dass auch bei dieser Zelle der Elektrolyt eine Kunststoffmembran ist. Ein Katalysator wird wegen der niedrigen Betriebstemperatur ebenfalls wieder benötigt. Er besteht meist aus einer Mischung von Platin und Ruthenium, die sich besonders zur Oxidation der Verbindungen, die beim Umsatz von Methanol entstehen und die Elektrodenreaktionen bei bisherigen Materialien erheblich behindert haben. Kathodenseitig wird mitunter reines Platin verwendet. Dieser Katalysator ist gleichfalls empfindlich gegenüber des vergiftenden CO. Als Elektrolyt hat sich vorerst das protonenleitende Polymer Nafion 117 der Firma DuPont durchgesetzt. Als Stand- by Betrieb eines Telefons mit Methanolpatronen ist dieser Typ schon realisiert wurden. Ein Vergleich des Wirkungsgrades mit einer PEMFC zeigt zwar derzeit eine starke Verschlechterung auf, jedoch ist hier der verwendete Brennstoff Methanol zu berücksichtigen, der einen niedrigeren Brennwert als Wasserstoff besitzt. 16

18 Telefon mit DMFC Quelle: Kurzüberblick: -Wirkungsgrad: -Brennstoffeinsatz: -Hauptanwendungsgebiete: -führende Entwickler/Hersteller: Siemens -Leistungsgröße: bis ca. 3 kw el gut (ca % elektrisch => Brennstoffbedingt) Methanol anstatt Wasserstoff Methanol oder Methanoldampf tragbare Kleingeräte, Einsatz für Fahrzeuge in Forschung Die Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) Elektrodenreaktionen: Kathode: ½ O H e - => H 2 O Anode: H 2 => 2 H e - Dieser Brennstoffzellentyp wird eigentlich durch ihren Betriebstemperaturbereich von ca.200 C gesondert einem Mitteltemperaturbereich zugeordnet, da sie jedoch als eine Weiterentwicklung der AFC anzusehen ist, wird sie hier diesem Temperaturbereich zugeteilt. Die PAFC mit einem Leistungsbereich von einigen kw bis zu 10 MW, deren Entwicklung bereits in den 70er Jahren vorigen Jahrhunderts begann, ist die einzige Brennstoffzelle deren Entwicklungsstand für die dezentrale Energieerzeugung schon bis zur Serienreife fortgeschritten, und kommerziell verfügbar ist. Heizkraftwerk zur dezentralen Energieversorgung Quelle: Anlagen dieser Art werden hauptsächlich durch die amerikanische Firma ONSI Corporation vertrieben, wie z.b. die PC 25- C (200 kw el ). Weitere Anbieter dieser 17

19 Anlagen sind in Japan angesiedelt, wie z.b. Fuji Electric, Mitsubishi Electric und Toshiba, die sich allerdings zur Zeit immer noch auf den japanischen Markt konzentrieren. Die größte Anlage ist ein Kraftwerk mit dem Standort Goi in Japan, in der Leistungsklasse von 11 MW. Als Elektrolyt wird konzentrierte nahezu wasserfreie Phosphorsäure eingesetzt, die jedoch nicht wie bei der AFC als Flüssigkeit durch die Brennstoffzelle gepumpt wird, sondern von einem porösen Kunststoffvlies aufgesaugt, und somit auf diese Art zwischen die Elektroden gebracht wird. Die Elektroden bestehen aus kunststoffgebundenen Kohlematerialien, die mit katalytisch aktiven Edelmetallpartikeln belegt sind. Auf Grund der starken eingesetzten Säure bestehen die Katalysatoren die auch hier für eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen bei niedrigen Betriebstemperaturen notwendig sind, aus Edelmetall, wie Platin oder Gold. Übrige Bauelemente bestehen entweder aus Graphit oder Kunststoffmaterialien. Da eine Säure als Elektrolyt eingesetzt ist, erlaubt die PAFC anodenseitig als Brennstoff auch CO 2 -haltige Gase, da Kohlendioxid nicht mit der Säure reagiert, und dadurch zur Stromerzeugung als Kohlenwasserstoffen bei Reformierung anfallende CO 2 nicht extra abgetrennt werden muss. Auf Grund der Betriebstemperatur von 200 C wird auch CO in höheren Maße (bis zu 2 vol %) toleriert. Betrieben wird die PAFC meistens mit aus reformiertem Erdgas gewonnenem Wasserstoff als Brennstoff, und als Oxidationsmittel Luftsauerstoff. Als wesentliche Systemkomponenten für einen Betrieb mit beispielsweise Erdgas sind zu nennen (Entschwefelung, Reformer, Wasserstoffaufbereitung, die Brennstoffzelle selbst, Wärmetauschereinheit, und zur Umwandlung des erzeugten Gleichstromes in Wechselstrom einen Inverter). Der Wirkungsgrad der PAFC ist zwar im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen, wie z.b. die AFC, PEMFC ziemlich niedrig von ca. 40 %. Jedoch ist hier anzumerken, dass durch die Betriebstemperatur von 200 C auch die Abwärme genutzt werden kann, und somit ein Gesamtwirkungsgrad von bis zu 60 % erreicht werden kann. Dieser Aspekt hat eine große Bedeutung bei Einsatz der PAFC in der Kraft-Wärme-Kopplung. Kurzüberblick: -Wirkungsgrad: gut (ca. 40 % elektrisch) -Brennstoffeinsatz: derzeit meist reformiertes Erdgas in der Zukunft auch flüssige Brennstoffe geplant -Hauptanwendungsgebiete: BHKW von 200 kw bis 11 MW Kleinere Anlagen werden nicht angestrebt -führende Entwickler/Hersteller: ONSI Corporation (USA) Toshiba, Mitsubishi, Fuji (alle Japan) -Leistungsgröße: 200 kw bis 11 MW el 1 MW PAFC Kraftwerk in Tokyo Quelle: 18

20 4.4.3 Hochtemperatur- Brennstoffzellen Den Hochtemperaturzellen gemeinsam ist die interne Reformierung. Erdgas lässt sich damit ohne den zusätzlichen Aufwand einer vorgeschalteten Reformierung direkt verwerten. Eine energetisch günstige Version für den Brennstoffzellenbetrieb mit Methan (hoher Bestandteil des Erdgases) als Brenngas ergibt sich aus der Möglichkeit, die Reformierungsreaktion innerhalb der Zelle an der Brenngaselektrode ablaufen zu lassen (Wegfall eines Vorreformers). Diese Verfahrensweise wirkt sich direkt auf den energetischen Wirkungsgrad aus. Das in der Brennstoffzelle entstehende Wärmeangebot ist größer als der Wärmebedarf der Reformierung. Die Nutzung dieser Wärme auf direktem Wege verringert die notwendige Verdichterleistung für die Kühlluft (geringerer Kühlluftbedarf), da ein Teil der Wärme vor Ort verbraucht wird. Außerdem ist das nutzbare Temperaturniveau der Abwärme höher, da die beispielsweise 1000 C heißen Ströme Abgas und Abluft einer SOFC nicht zur Beheizung eines Vorreformers eingesetzt werden müssen. Es ist jedoch notwendig einen derzeit sehr aktuellen Aspekt der Forschung und Entwicklung in der SOFC- Technik zu vermeiden => Bildung von Rußablagerungen. Die Rußbildung ist eine der unerwünschtesten Nebenreaktion bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen. Aus Gründen der Betriebssicherheit muss in der Brennstoffzelle die Rußbildung vermieden werden: -Rußablagerungen können die Katalysatoraktivität negativ beeinflussen. -Ruß kann zu Kurzschlüssen innerhalb der Brennstoffzelle führen. -Rußablagerungen können zu einer Verengung der Brennstoffzuleitungen bis zu deren Verstopfung führen. -Rußbildung bedeutet auch Brennstoffverlust, da der Kohlenstoff nicht mehr für die elektrochemische Brennstoffausnutzung genutzt werden kann, was einen direkten negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat Neben den Molton Carbonate Brennstoffzellen MCFC (geschmolzene Karbonate), die sich für die gekoppelte Stromerzeugung in Verbindung mit Prozessdampfgewinnung eignen, und von MTU in Deutschland und Energy Research Corporation (ERC) in den Vereinigten Staaten entwickelt werden, stehen im Zentrum des Forschungsinteresses die Solid Oxide Brennstoffzellen SOFC (Festoxidzellen). Diese Zellen eignen sich für den eigenständigen Einsatz als KWK-Anlage, aber auch als Ergänzung in Gasturbinenprozessen. Wesentlich beteiligt an den Entwicklungen ist die Firma Siemens-Westinghouse 19

21 Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) Elektrodenreaktionen: Kathode: O CO e - => 2 CO 3 2- Anode: 2 H CO 3 2- => 2 H 2 O + 2 CO e - Diese Brennstoffzellen arbeiten in einem Bereich zwischen 600 und 650 C und daraus resultieren wiederum einige Vorteile gegenüber anderen Brennstoffzellentypen. Zum einem kann die Abwärme des Zellstapels zur Reformierung des Brenngases verwendet werden und damit ist auch die einsetzbare Brennstoffbandbreite stark erweitert. Es können herkömmliche Brenngase wie Erdgas, Kohlegas oder Biogas ( gereinigtes, ohne beispielsweise S,- Cl,- oder Aschebestandteile) direkt eingesetzt werden und intern reformiert werden. Daraus folgt, dass die MCFC im Gegensatz zur PAFC unempfindlicher gegenüber CO und CO 2 ist. Prinzipieller Aufbau und Prinzip einer MCFC Quelle: Des weiteren hat sie bedingt durch die hohe Arbeitstemperatur den Vorteil gegenüber zu Niedertemperaturbrennstoffzellen, dass keine teuren Katalysatoren verwendet werden müssen. Zum anderem kann durch die höhere Arbeitstemperatur die Abwärme besser genutzt werden, was einen höheren Wirkungsgrad einer solchen Anlage bei Einsatz in der Kraftwärmekopplung zur Folge hat. Als besonderes Merkmal ist bei dieser Zelle hervor zu heben, dass die Ionenleitung über Karbonat-Ionen (CO 3 2- ) erfolgt. Der Sauerstoff wird durch die Wanderung der Karbonat-Ionen im Elektrolyten von der Katode zur Brenngasanode transportiert. Der Name MCFC wird wiederum vom in dieser Zelle eingesetztem Elektrolyten bestimmt, der aus geschmolzenen Karbonaten, meistens Alkalikarbonate, wie Kaliumkarbonat (K 2 CO 3 ) und Lithiumkarbonat ( Li 2 CO 3 ) besteht. Aufgebaut ist die MCFC aus preisweiteren Materialien wie Nickel, Nickeloxid, Keramik und Stahl. Außerdem hat die hohe Betriebstemperatur zur Folge, dass keine Platinkatalysatoren notwendig sind. Es ist als aktives Elektrodenmaterial Nickel und Nickeloxyd ausreichend. Allerdings haben die hoch angreifenden Karbonatschmelzen auch einen Nachteil in der Werkstoffauswahl, womit die Lebensdauer der MCFC zur Zeit noch beeinflusst wird. Dieses Problem bildet den derzeitigen Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt. Hauptanwendungsbereich der MCFC soll der Kraftwerksbereich sein. 20

22 Als hauptsächlichste Komponenten kommen bei einem Betrieb diesen Typs ein Reformer (bei Nutzung der Abwärme des Zellenstacks in der Brennstoffzelle integriert), die Brennstoffzellenstacks selbst, zur Wärme- und Restenthalpienutzung eine Gas- und Dampfturbinenanlage, sowie einen Inverter zur Umwandlung des erzeugten Gleichstromes in Wechselstrom, und damit zur Anpassung an vorhandene Elektrizitätsversorgungsanlagen, zum Einsatz. Kurzüberblick: -Wirkungsgrad: -Brennstoffeinsatz: -Hauptanwendungsgebiete: sehr gut (ca % elektrisch) Studien für Großkraftwerke zeigen Potentiale bis zu 73 % Durch Sauerstoffionenleitung flexibler Brennstoffeinsatz Einsatz von Vergasungsprodukten, Abgasnutzung in der Chemie, Biogase BHKW von 250 kw bis ca. 5 MW Anlagen bis ca. 3 MW werden zur Zeit entwickelt Anlagen < 250 kw werden nicht angestrebt -führende Entwickler/Hersteller: ERC (Energy Research Corp.), M-C Power Corp. (USA) MTU (Motoren- und Turb. Union- Friedrichsh.) Hitachi (Japan) -Leistungsgröße: 250 kw bis 5 MW el 2,5 MW MCFC Kraftwerk Quelle: 21

23 Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) Prinzipdarstellung einer SOFC (Röhrenkonzept) Quelle: Elektrodenreaktionen: Kathode: ½ O e - => O 2- Anode: H 2 + O 2- => H 2 O + 2 e - Die Arbeitstemperatur der SOFC beträgt bis zu 1000 C, wodurch wiederum die Vielfältigkeit der einsetzbaren Brennstoffe gegeben ist, wie zum Beispiel Erdgas, Kohlegas, Biogas. Diese Brennstoffzelle verdankt wiederum ihren Namen, dem eingesetzten oxidkeramischen Elektrolyten. Kernstück dieser aussichtsreichen SOFC ist ein gasdichter, keramischer Festelektrolyt (eine feste folienähnliche Membran), welcher aus yttriumstabilisiertem (Y 2 O 3 ) Zirkondioxid (ZrO 2 ) besteht. Dieser ist sauerstoffionenleitend und mit porösen Gasdiffusionselektroden beschichtet. Als Elektrodenmaterial werden Nickel und leitende Oxide eingesetzt. Es wird bei dieser Zelle zwischen zwei Konzepten unterschieden. Zum einen das hauptsächlich von der Firma Siemens-Westinghouse (USA, Deutschland) oder der Sulzer Hexis (Schweiz) verfolgte Röhrenkonzept, welches aus einzelnen runden Scheiben mit ca. 22 mm Durchmesser (s. Foto) zu einem zusammengeschalteten Rohr von ca. 150 cm Länge besteht, wo im Inneren das Oxidationsmittel Luft und außen der Brennstoff entlangströmt. Sulzer Hexis SOFC Quelle: 22

24 Diese einzelnen Rohre werden dann wiederum je nach Bedarf zu weiteren Bündeln zusammengeschaltet. Das zweite Konzept ist mit dem ansonsten von der Brennstoffzellentechnik genutzte Flachzellenkonzept, indem ebene Strukturen zu einem Stack in bipolarer Anordnung aufeinandergestapelt werden, zu vergleichen. Bei dieser Zelle wird noch einmal die prinzipielle Wirkungsweise geschildert. Die unterschiedlichen Potentiale auf der Brenngas- und Luftseite der Membran rufen eine elektrochemische Potentialdifferenz ( Nernst sche Spannung ) über der Membran hervor. Werden die beiden Elektroden über eine externe Last verbunden, so führt diese Spannung zu einem Stromfluss. Im Festelektrolyten erfolgt der Transport negativer Ladungen über Sauerstoffionen, während im äußeren Stromkreis die Elektronen von der Anode zur Kathode zurücktransportiert werden. Ein Teil der Enthalpiedifferenz der Oxidationsreaktion wird dabei in elektrische Energie umgewandelt, und der Rest als Abwärme auf hohem Temperaturniveau freigesetzt, woraus die interne Reformierung resultiert. Als wesentliche Systemkomponenten gelten die gleichen wie bei einem MCFC- System. Anlagen diesen Brennstoffzellentyps haben ein hohes Wirkungsgradpotential, insbesondere bei der Kombination mit Gas- und Dampfturbinen. Studien für Kleinkraftwerke < 1 MW erwiesen Wirkungsgrade von bis zu 65 % (elektrisch). Derzeit ist die SOFC von allen Brennstoffzellen noch am wenigsten entwickelt. Hauptanwendungsgebiet der SOFC wird in der Elektroenergieerzeugung im Kraftwerksbereich und in der Kraft- Wärme- Kopplung sein. Kurzüberblick: -Wirkungsgrad: sehr gut (ca % elektrisch) Theoretische Potentiale bis ca. 80 % -Brennstoffeinsatz: Durch Sauerstoffionenleitung flexibler Brennstoffeinsatz Einsatz von Vergasungsprodukten, Abgasnutzung in der Chemie, Biogase -Hauptanwendungsgebiete: ab Kleinanlagen für Eigenheime bis Kraftwerksbereich bis ca. 100 MW el (zukünftig) bis heute Versuchsanlagen bis ca. 100 kw el gebaut -führende Entwickler/Hersteller: Siemens- Westinghouse (USA, Deutschland) Sulzer Hexis (Schweiz) Osaka Gas, Fuji Electric (beide Japan) -Leistungsgröße: 1 kw el bis 100 MW el Siemens- Versuchsanlage 100 kw Quelle: 23

25 5 Zukünftige Bedeutung der Brennstoffzellen Die Brennstoffzelle wird künftig einen hohen Stellenwert in der Energieversorgung haben, da sie geräusch- und emissionsarm arbeitet, sowie langlebig und mit geringem Wartungsaufwand betrieben werden kann. Das künftige Anwendungsgebiet teilt sich in drei Bereiche auf, mobile Anwendungen, stationäre Energieversorgung und tragbare Kleingeräte. Mobile Anwendungen sind z.b. Kraftfahrzeuge, welche mit einer PEMFC (Protonen Exchange Membran Fuel Cell) betrieben werden, und von der DMFC als Beitrag zum CO 2 Recycling abgelöst werden soll und wird, wenn das Methanol aus Biomasse hergestellt wird. Ein weiterer Vorteil besteht in der unkomplizierten Betankung, da Methanol ein flüssiger Treibstoff ist, und damit das schon vorhandene Tankstellennetz, wie beispielsweise bei der Umstellung auf bleifreien Treibstoff auf Methanol als Treibstoff umgestellt werden kann. In den Bereich stationäre Energieversorgung fallen Kraftwerke, sowie eine gekoppelte Strom- und Wärmeversorgung in Wohnhäusern. Der ökologische Wert hängt vom eingesetzten Brennstoff ab, wobei Erdgas günstiger abschneiden wird als Heizöl. Zum Einsatz wird in der Zukunft eine SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) kommen. Diese wird schon heute als Technik der 2. Generation bezeichnet und soll perspektivisch die PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) ablösen, wobei die Entwicklung der SOFC durch das hohe Wirkungsgradpotential angetrieben wird. Zum dritten Bereich, zu tragbaren Kleingeräten gehören u.a. Stand by Versorgung für die Telekommunikationsanlagen, die ebenfalls mit einer DMFC (Direct Mentanol Fuel Cell), arbeiten können (als Ablösung bzw. Weiterentwicklung der PEMFC), welche direkt mit Methanol anstelle von Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden. Die Entwicklung in diesem Anwendungsbereich befindet sich ebenfalls noch im Forschungsstadium. Die aktuelle Entwicklung der DMFC hat vor allem das Ziel, verfügbare und leichter handhabbare Brennstoffe wie Methan, oder auch Methanol direkt nutzbar zu machen. Der explodierende Markt neuer Kleingeräte bietet Brennstoffzellen eine gute Chance da sie netzunabhängig sind, niedrige Betriebstemperaturen und eine lange Lebensdauer bei flexibler Lastdynamik besitzen. Auch wenn der Einsatz der Brennstoffzellen in diesem Anwendungsbereich noch in den Kinderschuhen steckt, sind die Weichen für die Zukunft schon gestellt. Durch sinkende Strompreise und hohen Anfangsinvestitionen ist die Brennstoffzelle im industriellen Bereich derzeit noch nicht wirtschaftlich genug, wogegen die Wirtschaftlichkeit beim Einsatz in Haushalten eher gegeben sein wird. Wie den Medien zu entnehmen war, will selbst die Bundesregierung bis zum Jahr 2004 etwa 120 Mio. DM in die Erforschung der Brennstoffzellen investieren, welche aus UMTS- Zinsersparnissen kommen, und weitere 400 Mio. DM sollen investiert werden, um Techniken zu entwickeln, die die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff optimieren sollen. 24

26 5.1 Anwendungsbereiche im Überblick -Haustechnik (Einzel-/Mehrfamilienhäuser) -Industrie (Elektro- und Wärmeenergie) -Maritime Systeme (Schiffsantriebe, Bordspannungsversorgungen, dezentrale Systeme) -Mobile Systeme (Fahrzeuge, Roboter, Servicegeräte) -Stand-by Anwendungen (z. B. Telefone) 5.2 Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeversorgung Die Eigenschaften von Brennstoffzellen lassen vorrangig einen Einsatz in der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) erwarten. Hierbei ist zu unterscheiden nach Anwendungen im Kraftwerks- und Prozesswärmebereich und Einsätzen in der dezentralen Energieversorgung. Für den Kraftwerksbereich werden Hochtemperaturenzellen (hauptsächlich die SOFC) zum Einsatz kommen. Die Wirkungsgrade liegen bei eigenständigen Systemen auf Erdgasbasis bei bis zu 50%. In Verbindung mit Gasturbinenprozessen sind jedoch Systeme realisierbar, die gegenüber konventionellen Prozessen deutlich höher sind, es ist von Wirkungsgraden größer 60% (elektrisch) auszugehen, bei der Kombination mit GuD-Anlagen von Gesamtwirkungsgraden über 70%. Bei Nutzung der Abwärme ist wie bei konventionellen Prozessen von Gesamtnutzungsgraden von rund 90% auszugehen. Die Kombination einfacher kleiner Gasturbinen mit Brennstoffzellen verspricht wegen des um den Faktor 2 besseren Wirkungsgrades auch bei deutlich höheren Investitionen wirtschaftliche Lösungen. Der wirtschaftliche Vorteil der Kombination von Brennstoffzellen mit GuD-Prozessen, muss demgegenüber noch derzeit als etwas unsicherer bezeichnet werden. GuD-Prozesse lassen sich zur Zeit mit günstigen Investitionen (ca DM/kW el ) und Gesamtwirkungsgraden von rund 58% realisieren. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist bei Einsatz noch leistungsfähigerer Turbinen zu erwarten. Der aus der Brennstoffzelle resultierende energetische Vorteil beträgt damit nur wenige Punkte. Inwieweit dies ausreicht, um über Energieeinsparungen die Mehrinvestition zu finanzieren, bleibt abzuwarten. Für die Bereitstellung von Prozesswärme auf mittlerem Niveau eignen sich bevorzugt eigenständige MCFC-Systeme. Sie arbeiten wegen der besonderen Prozessführung mit interner Reformierung mit sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden (>50%). In Verbindung einer Wärmeauskopplung ist von Gesamtnutzungsgraden bis zu 90 % auszugehen. Der Einsatz von Brennstoffzellen in der dezentralen Versorgung auf KWK-Basis entspricht dem von Verbrennungsmotoren in Blockheizkraftwerken. Brennstoffzellen decken die Grundlast, während ÖL- oder Gaskessel, die nur zeitlich beschränket auftretende Spitzenlast übernehmen werden. Das sehr gute Teillastverhalten der Brennstoffzelle bietet hierbei die Möglichkeit, mit wenigen Modulen den gesamten Grund- und Mittellastbereich zu versorgen. In besonderen Fällen, speziell bei kleinen Leistungen, werden auch Brennstoffzellensysteme zum Einsatz kommen, die einen flexiblen Einsatz zwischen 100% Strom und 100% Wärme ermöglichen. Die Installation eines Spitzenkessels könnte damit überflüssig werden. Der Niedertemperaturmarkt, d.h. der Bereich der Raumwärme- und Warmwasserbereitung, ist als das große Einsatzgebiet für Brennstoffzellen in der dezentralen Versorgung zu werten. Das KWK-Potential ist hoch einzuschätzen. 25

27 Der Erfolg im Wärmemarkt ist davon abhängig, inwieweit es gelingt, mit Brennstoffzellen Wärme auf einem für alle Anwendungsfälle geeignetem Temperaturniveau anzubieten, und dies bei gleichzeitig einfachem und robustem Aufbau. PEMFC mit ihrem festen Elektrolyten könnten hierfür die geeigneten technischen Voraussetzungen bieten. Die mit PEM Brennstoffzellen erreichbaren Heizungsvorlauftemperaturen betragen ca. 75 C. Zwar sind bei konventionellen Systemen die zu registrierenden Wassertemperaturen höher, dieses Wärmeniveau wäre jedoch ausreichend. Die bei konventionellen Heizungssystemen zu registrierenden Vorlauf- und Rücklauftemperaturen von 90 C bzw. 70 treten in der Regel nur bei max. Heizlast auf, d.h. in der Lastspitze. Zur Deckung dieses Lastbedarfs könnten Spitzenkessel zur Verfügung stehen. Für Brennstoffzellen bleibt damit die Grundlast mit dem wesentlich niedrigen Temperaturniveau vorbehalten. Prinzipdarstellung SOFC Energieerzeugung Quelle: Prinzipdarstellung eines SOFC- Blockheizkraftwerk Quelle: 26