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Brennstoffzellen Wasserstoff Systeme Link Anwendungen Technik fuelcell
Hallo, Text und Links, viel Erfolg! Gruss Werker Unten Auszug Link:
http://www.eva.wsr.ac.at/opet/fuelcell.htm
Einleitung
Brennstoffzellen sind elektrochemische Systeme, die die chemische Energie von Oxidationsprozessen direkt in elektrische Energie umsetzen. Das Funktionsprinzip ist ähnlich dem von Primärbatterien, mit dem Unterschied, daß die Energie nicht in den Elektroden gespeichert ist, sondern in einem externen Tank gelagert ist. Die Brennstoffzellen-Technologie wurde bereits vor mehr als 100 Jahren - vor allem für Anwendungen in der Weltraumtechnologie - erfunden. Die Anwendungsgebiete heutzutage sind in Kraft-Wärme-Kopplungssystemen (KWK) für die Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie und als Stromquelle für elektrische Fahrzeuge. Zum Unterschied zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen haben brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge den Vorteil, vergleichbare Leistungsdichten und Reichweiten! mit konventionellen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor aufzuweisen. Darüber hinaus haben Fortschritte in den Materialwissenschaften in den letzten Jahrzehnten der Brennstoffzellentechnologie zum Durchbruch verholfen.
Einteilung der verschiedenen Brennstoffzellensysteme Die Klassifikation von Brennstoffzellen-Systemen kann nach verschiedenen Gesichtspunkten vorgenommen werden:
nach der Arbeitstemperatur in Nieder-, Mittel- und Hochtemperaturzellen; nach der Art der Reaktanten, nach den Elektroden oder - wie es heutzutage üblich ist - nach der Art des Elektrolyten. Nachfolgend werden sechs verschiedene Brennstoffzellen aufgelistet:
Alkalische Brennstoffzellen (ABZ) Polymerelektrolytmembran Brennstoffzellen (PEMBZ) Phosphorsaure Brennstoffzellen (PSBZ) Karbonatschmelze Brennstoffzellen (KSBZ) Oxidkeramische Brennstoffzellen (OKBZ) Direktmethanol Brennstoffzellen (DMBZ) Brennstoffzellen-Systeme sind relevant sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen. Alkalische Brennstoffzellen sind vor allem für Weltraumanwendungen entwickelt worden. Für stationäre Systeme kommen vor allem die phosphorsauren, Karbonatschmelze und oxidkeramischen Brennstoffzellen in Frage, wobei jeweils nach dem Entwicklungsstand zwischen 1. Generation für phosphorsaure Systeme, 2. Generation für Karbonatschmelze Brennstoffzellen und 3. Generation für oxidkeramische Brennstoffzellen unterschieden wird. Für mobile Anwendungen sind vor allem die Polymer-Elektrolytmembran und die Direktmethanol entwickelt worden. Weiters stehen für diese Anwendungen auch alkalische und posphorsaure Brennstoffzellen zur Verfügung. Die nachfolgenden Beispiele konzentrieren sich auf jene Brennstoffzellentypen die der Kommerzialisierung am nächsten sind.
Eigenschaften von Brennstoffzellen Zu den positiven Eigenschaften von Brennstoffzellensystemen im Vergleich zu konkurrierenden Umwandlungssystemen gehören:
hoher Wirkungsgrad, modularer Aufbau und hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Der hohe Wirkungsgrad ist unabhängig von der Systemgröße der Anlage. Zusätzlich verursacht der Betrieb einer Brennstoffzelle keinen Lärm, die Emissionen sind vernachläßigbar und die einzigen Reaktionsprodukte sind Wasser und Kohlendioxid (bei Verwendung von fossilen Energieträgern).
Die erwarteten Vorteile für den Einsatz der Brennstoffzellen-Technologie in stationären und mobilen Systemen können folgendermaßen zusammengefaßt werden:
Strategische Vorteile: Aufgrund der Flexibilität des eingesetzten Brennstoffes - sowohl fossile Primärenergieträger als auch erneuerbare Sekundärenergieträger können verwendet werden - vermindert sich die Abhängigkeit an importierten Rohölprodukten. Umweltfaktoren: Die Reduktion von Kohlendioxid CO2, Schwefeloxiden (SOx) und Stickoxiden; die Reduktion von Lärmquellen sowohl bei stationären als auch bei mobilen Systemen; die Minimierung von Gesundheitsrisiken durch elektromagnetischen Strahlung von Hochspannungsleitungen und der gefahrloser Betrieb von Brennstoffzellenanlagen. Etwaige Beschädigungen durch Unfälle beschränken sich auf die Anlage selbst. Wirtschaftliche / Soziale Faktoren: Durch den Einsatz von dezentralen Leistungseinheiten werden auch niedrigere Investitionskosten pro Projekt erzielt. Dies bringt Vorteile bei der Finanzplanung im Vergleich zu den traditionellen zentralen Kraftwerken. Die Dezentralisierung des österreichischen Elektrizitätsmarktes und die Erhöhung des Anteiles der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen. Die Öffnung von neuen Märkten, wobei die ersten Investoren auch die größten Marktanteile erhalten werden. Brennstoffzellenkomponenten können zum Großteil recylcliert werden. Da Brennstoffzellen in kleinen Einheiten eingesetzt werden können, halten sich die Kapitalkosten für den Markteintritt ebenfalls in Grenzen.
Brennstoffzellen-Systeme für Stationäre Anwendungen
Eigenschaften wie hoher Wirkungsgrad und niedere Emissionen machen Brennstoffzellensysteme besonders attraktiv für den Kraftwerksbetrieb. Besonders der Einsatz von dezentralen Leistungseinheiten macht den Einsatz in der Nähe von Verbraucherzentren möglich. Diese Strategie wird bereits von verschiedenen Versorgungsunternehmungen ernsthaft verfolgt. Zunehmende Konkurrenz und zunehmende Emissionsregulierungen sind weiters Gründe für den Einsatz von Brennstoffzellensystemen in stationären Anlagen.
Gegen Ende der achtziger Jahre ist begonnen worden, Demosntrationsanlagen basierend auf der phosphorsaure Brennstoffzellentechnologie auszuliefern. Besonders der 200 kWel Typ der Firma IFC/ONSI ist hierbei besonders zu erwähnen. Über hundert Anlagen sind von diesem Typ weltweit bereits vertrieben worden. Die Firma EVN betreibt ebenfalls eine solche Anlage in Mödling. Berechnungen haben ergeben, daß die Kosten pro elektrischer Kilowattstunde bereits jetzt mit konventionellen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen vergleichbar sind. Höhere Wirkungsgrade würden mit Karbonatschmelze Brennstoffzellen erzielt werden können. Anlagen dieses Typs werden derzeit gerade evaluiert. Ein 250 kW Kraftwerk wurde im Februar dieses Jahre in Kalifornien (Miramar Naval Air Station) in Betrieb genommen. Als Brennstoff wird ähnlich wie bei den phosphorsauren Systemen Erdgas eingesetzt. Allerdings erwartet man sich bei Karbonatschmelze Brennstoffzellen einen deutlich höheren elektrischen Wirkungsgrad (an die 50 - 60 %) als dies bei phosphorsauren Brennstoffzellen erzielt werden kann. Die Kosten der Brennstoffzelle stellen das limitierende Element dar für den Einsatz in größere Einheiten (³ 1 MWel).
Die oxidkeramische Brennstoffzelle (OKBZ) hat das Potential beide Voraussetzungen - hoher Wirkungsgrad und niedrige Systemkosten - zu erfüllen. Weiters bietet die Integration von kombinierten Gas- und/oder Dampfturbinenkraftwerken (GuD) mit oxidkeramischen Brennstoffzellen (OKBZ) die Möglichkeit hohe bis sehr hohe Leistungsdichten bei niedrigen Systemkosten zu erzielen. Aktuelle Forschungsergebnisse geben Anlaß zur Meinung, daß oxidkeramische Brennstoffzellen im Temperaturbereich von < 600 ° C und kombinierte GuD/OKBZ Anlagen im nächsten Jahrzehnt technologisch realisiert werden. Die Aktivitäten des Department of Energy (DOE), des Electric Power Research Institute (EPRI) und des Gas Research Institute (GRI) sind bei der Entwicklung von oxidkeramischen Brennstoffzellen besonders zu erwähnen.
Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen
Wasserstoffbetriebene Stadtbusse, basierend auf der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, befinden sich bereits kurz vor der Markteinführung. Als Beispiel sollte hierbei die Stadtgemeinde Chicago (IL) erwähnt werden, die von der Firma Ballard Power Systems (B.C.) drei solcher Busse im Jahre 1995 gekauft hat. Die völlige Kommerzialisierung dieser Technologie wird bis zum Zeitraum 2010 erwartet. Die Verwendung des Brennstoffs Wasserstoff für Automobile in Kombination mit Brennstoffzellensystemen hat die positive Eigenschaft, daß diese Technologie die zwei- bis dreifache Effizienz eines konventionellen Verbrennungsmotors hat, mit Wasserdampf als einzigen Emittenten. Bei Verwendung von Erdgas als Energieträger, würden sich die CO2-Emission pro gefahrenen Kilometer - aufgrund der höheren Wirkungsgrade - auf etwa 35 % reduzieren gegenüber benzin- bzw. dieselbetriebenen Fahrzeugen.
Die Perspektive von Personenkraftfahrzeugen mit keinen Emissionen (bei Verwendungen von Wasserstoff) bzw. von sehr niedrigen Emissionen (bei Verwendung von Methan oder Methanol) werden für einen Erfolg der Brennstoffzelle bei einer Kommerzialisierung als nicht ausreichend befunden. Jedoch die Tatsache, daß die elektrochemische Energieumwandlung um 20 - 30 % effizienter abläuft als konventionelle benzin bzw. dieselbetriebene Verbrennungskraftmotoren wird für die zukünftige Entwicklung herangezogen. Diese positiven Eigenschaften von Brennstoffzellen waren Basis für die Entwicklung von Demonstrationsfahrzeugen einer Kooperation einer kanadischen Firma (Ballard Power Systems, Burnaby, B.C.) und dem deutschen Automobilhersteller Mercedes Benz, die sowohl in Berlin als auch in Chicago, Los Angeles, Berlin demonstriert worden sind. Als nächster Schritt streben diese beiden Firmen die Vermarktung von methanolbetriebenen Brennstoffzellenfahrzeugen an, die auf der Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle basiert. Für diese Vermarktungsinitiative investieren beide Gesellschaften über 3 Millionen US-Dollars in den nächsten Jahren.
Die Reduktion der Kosten für die Kommerzialisierung ist das primäre Ziel ihrer zukünftigen F&E Aktivitäten. Der Schlüssel für diese Kostenreduktion liegt in der Massenproduktion der Brennstoffzellenfahrzeuge. Es ist geplant mit 100.000 Stück pro Jahr auf den Markt zu gehen. Weiters sind in diesem Zusammenhang Aktivitäten der Firma Ballard mit General Motors, Delphi/Chrysler, Honda, VW und Volvo zu erwähnen. Die amerikanische Industrie hat das große Markteintrittspotential erkannt und versucht mit verschiedensten Aktivitäten die frühere Führungsrolle wieder einzunehmen. Weiters ist in diesem Zusammenhang auf verschiedene Aktivitäten der japanischen Industrie (Toyota, Mitsubishi, etc.) hinzuweisen.
Österreichische Brennstoffzellen-Initiative
Im Rahmen eines vom BMWV unterstützten Know-How Transfer Projektes führt die E.V.A. seit Mai 1999 eine Brennstoffzellen-Informations-Initiative durch.
Die Motivation für die Durchführung dieses Projektes war mehrfach. Einerseits ergab eine Industriebefragung, welche von der E.V.A. in den Jahren 1998/1999 durchgeführt wurde, unter anderem, daß es in Österreich eine Reihe von Industrieunternehmen gibt, die sich für das Thema "Brennstoffzelle" sehr interessieren. Andererseits kam bei diesen Interviews klar zum Ausruck, daß das Thema Brennstoffzelle einen mittel- bis langfristigen Stellenwert in der Prioritätensetzung der Unternehmen einnimmt, aber dass personelle Ressourcen für das Monitoring des Istzustandes nicht bzw. nicht im ausreichendem Maße zur Verfügung stehen.
Weiters stand zu diesem Zeitpunkt bereits fest, daß die EU verstärkt Brennstoffzellen-Projekte im 5. Rahmenprogramm fördern wird. Aufgrund der Ergebnisse der ATLAS-Studie /1/ und den Arbeiten von Hagler-Bailly /2/ wurden zudem Brennstoffzelle als eine Schlüsseltechnologie für das nächste Millenium eingestuft.
Nichts lag daher näher, als das Thema "Brennstoffzelle" zu priorisieren und Initiativen zu diesem Thema – entsprechend obig skizzierter Gegebenheiten zu setzen. Ziel dieser Initiative sollte es sein, über den Stand der Technik zu informieren, und als Katalysator für die Initiierung von Projekten in der österreichischen F&E Landschaft zu wirken.
Die Produktlinien, die sich aus den F&E Aktivitäten der Brennstoffzellen-Hersteller herausbilden, sind dabei als sehr heterogen einzustufen und werden nachfolgend aufgelistet:
Mini-BHKWs (mehrere kWel Leistung) BHKWs mit einer Leistung von 50 kWel bis 5 MWel; Kombikraftwerken bestehend aus Brennstoffzelle und Gasturbine (50 bis 60 MWel Leistung) Anwendungen in PKWs Anwendungen in Bussen Anwendungen in Schiffen "Consumer"-Anwendungen für Notebooks, Mobiltelefone, Camcordern, etc.
Diese sehr unterschiedlichen Produktlinien bedingen auch ein sehr heterogenes Spektrum an "stake holders", die mit den verschiedenen Instrumenten der Informationsinitiative erreicht werden sollen.
Informationsbroschüre: Brennstoffzellen-Systeme, Energietechnik der Zukunft? Die Informationsbroschüre "Brennstoffzellen-Systeme, Energietechnik der Zukunft?" geht vorwiegend auf die Entwicklungen der stationären Brennstoffzellen-Technologien ein. Diese Broschüre ist frei verfügbar und kann mittels [ E.V.A. Download Service ] von dieser Website bezogen werden.
Vortrag: Brennstoffzellensysteme: Energiekonverter für das 21. Jahrhundert Präsentation von Günter R. Simader bei der Energie AG Oberösterreich am 11. Oktober 1999 in Linz Dieser Vortrag gibt einen Überblick über die derzeitig in Entwicklung befindlichen Brennstoffzellen- Systeme und die sich aus diesen Entwicklungen ableitenden Produktlinien. Insbesondere wird auf das Entwicklungsgeschehen von stationären Anwendungen eingegangen.
Veranstaltung: Brennstoffzellen-Fahrzeuge Am 25. November 1999 fand an der TU-Graz eine Veranstaltung zum Thema "Brennstoffzellen-Fahrzeuge" statt, welche die Entwicklungen der mobilen Brennstoffzellen-Anwendungen aufzeigt.
Workshop Brennstoffzellen-Systeme für stationäre Anwendungen 30. Jänner 2001, Wirtschaftskammer Österreich
Veranstaltung Biogas - Brennstoffzellen Systeme Symposium über den Stand der Entwicklung und Perspektiven (in Zusammenarbeit mit PROFACTOR und dem BMVIT) 15. Mai 2001, Steyr Weitere Informationen zu dieser Veranstaltung finden Sie unter http://www.profactor.at/veranstaltungen/bg01/index.html
Referate, Studienreisen und individuelle Beratungsgespräche ergänzen das Dienstleistungsspektrum dieser Initiative.
Für weitere Informationen steht Ihnen Herr Dr. Günter Simader gerne zur Verfügung.
/1/ ETSU, "Energy technology: The next steps, summary findings from the ATLAS project", Luxembourg, Dec. 1997, (http://europa.Eu.int/en/comm/dg17/dg17home.htm)
/2/ Hagler-Bailly, "European Energy Technologies: Global Competitive Review and Critical Success Factors, Workshop on the prospects for more advanced energy efficient industrial processes, Brussels, May 1998.
/3/ G. Simader, Th. Heissenberger, "Brennstoffzellen-Systeme, Energietechnik der Zukunft", Wien, August 1999
/4/ GRI/EPRI/DOE, "Joint Fuel Cell Technology Review Conference", Chicago (IL), August 1999 (http://www.fetc.doe.gov/publications/proceedings/99/99fuelcell/99fc.html)
Brennstoffzellen-Systeme: Energiekonverter für das 21. Jahrhundert Link:
http://www.eva.wsr.ac.at/publ/pdf/vortrag_fc.pdf
Brennstoffzellen - Einsatzmöglichkeiten für die dezentrale Energieversorgung
von W. Weindorf, U. Bünger, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, Ottobrunn veröffentlicht in: Sonnenenergie, Heft 1/97
Durch in den letzten Jahren erzielte Fortschritte bei der Weiterentwicklung von Brennstoffzellen ergeben sich völlig neue Anwendungen in der Hausversorgungs- und Kraftwerkstechnik. Brennstoffzellen werden daher einen nachhaltigen Einfluß auf die Energieversorgungsstrukturen ausüben.
In Brennstoffzellen wird die chemische Energie des Brennstoffs direkt in elektrische Energie umgewandelt. Wasserstoff als Brennstoff und Luft-Sauerstoff werden den Elektroden zugeführt, reagieren miteinander und werden als Wasserdampf wieder abgeführt (Abb. 1). In der Brennstoffzelle läuft also die Umkehrreaktion der Elektrolyse ab.
Anode: H2 ® 2 H+ + 2 e-
Kathode: 2 H+ + 2 e- + ½ O2 ® H2O
An der Anode werden die H2-Moleküle gespalten und geben dabei Elektronen ab. Die H+-Ionen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode, nehmen dort Elektronen auf und verbinden sich mit Sauerstoff zu Wasser. Der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgesetzt und kann dann ins Stromnetz eingespeist werden. Die elektrische Arbeit Wel = - n × F × E0 erreicht dabei maximal den Wert der freien Reaktionsenthalpie D G:
D G = D H - T× D S
wobei D H Reaktionsenthalpie, T Temperatur in K und D S Reaktionsentropie. Die Leerlauf-Zellspannung E0 ist abhängig von den Wasserstoff- und Sauerstoffpartialdrücken sowie von der Temperatur. Aus thermodynamischer Sicht würde der Wirkungsgrad bei höheren Temperaturen sinken. Jedoch verbessert sich mit steigender Temperatur die Reaktionskinetik, so daß Hochtemperatur-Brennstoffzellen in der Praxis näherungsweise gleiche Wirkungsgrade wie Niedertemperatur-Brennstoffzellen erreichen /1/. Wird der für Wirkungsgradberechnungen übliche Heizwert Hu verwendet, ergibt sich der maximal erzielbare elektrische Wirkunsgrad h el der Brennstoffzelle aus:
h el = D G/D Hu = - n× F× E0/(- n× F× E0, Heiz)
mit E0, Heiz = 1,253 V „Heizwertspannung"
E0 = Leerlaufspannung der Zelle
n = Anzahl der übertragenen Elektronen pro Formelumsatz
F = Faraday-Konstante
Wird ein Verbraucher angeschlossen, liefert die Brennstoffzelle Strom (i) und die Zellspannung E0 sinkt aufgrund ohmscher und elektrodenkinetischer Verluste auf E(i) ab. Der Wirkungsgrad h el(i) ergibt sich dann aus:
h el(i) = E(i)/E0, Heiz
Aufgrund von Verlusten und des Energiebedarfs von Nebenaggregaten (Verdichter, Gasaufbereitung etc.) sind in realen Brennstoffzellen-Anlagen die elektrischen Wirkungsgrade geringer. Sie liegen in der Praxis zwischen 40 und 60%.
Bei Erdgasbetrieb entstehen als Verbrennungsprodukte nur CO2 und Wasser. Stickoxide entstehen nur in sehr geringen Mengen beim Betrieb des Brenners für die Beheizung des Erdgasdampfreformers.
Abb. 1:
Prinzip der Brennstoffzelle am Beispiel einer PEMFC /1/
Brennstoffzellen können für unterschiedlichste Leistungsanforderungen (Tab. 1) ausgelegt werden, weisen hohe Wirkungsgrade (Tab. 2) auch im Teillastbereich auf, und zeichnen sich durch niedrige Emissionswerte aus.
Typ Leistungsbereich Betriebsweise Reformierung Entwicklungsstand PAFC einige 10 kW bis einige 100 kW Mittellast - Grundlast extern Marktprodukt PEM einige W bis einige 100 kW variabel extern seit 1995 Einsatz von Prototypen in Bussen (Ballard) und Transportern (Daimler Benz) MCFC einige 100 kW bis einige MW Grundlast intern oder interne Teilreformierung Kraftwerk seit 1996 in Kalifornien (ERC) SOFC einige kW bis einige MW Mittellast - Grundlast interne Teilreformierung ab 1997 Erprobung von 7 kWel-Modulen für Kraft-Wärme-Kopplung geplant (Sulzer)
Tabelle 1: Eigenschaften und Einsatzbereiche im Vergleich
So werden z.B. in einer mit Erdgas betriebenen kommerziellen phosphorsauren Brennstoffzelle (PAFC) mit 200 kWel nach Herstellerangaben im Mittel erzeugt: NOx - 2,7 mg/m3, CO - 6,7 mg/m3 und Kohlenwasserstoffe - 7,6 mg/m3 /2/. Nur bei Lastwechseln können kurzzeitig Emissionsspitzen um das 3-fache, in Einzelfällen maximal um das 10-fache höher als die genannten Werte auftreten /3/. Brennstoffzellen mit vorgeschaltetem Erdgasreformer können somit die Emissionswerte von erdgasbetriebenen Verbrennungsmotoren weit unterschreiten (siehe Abb. 2). Mit Erdgas betriebene Brennstoffzellen eignen sich daher hervorragend als Blockheizkraftwerke (BHKW) zur dezentralen Energieversorgung von Siedlungen oder einzelner Gebäude.
PAFC
[mg/m3] TA-Luft
[mg/m3]
NOx 2,7 500 CO 6,7 650 CmHn 7,6 150
Abb. 2: Vergleich der Emissionen /2/
NOx CO CmHn
Typen von Brennstoffzellen
Es gibt unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen (Tab. 2). Unterschieden werden Brennstoffzellen nach der Art des Elektrolyten in phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC), Brennstoffzellen mit Protonenaustauscher-Membran (PEMFC), Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) und keramische Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC). Brennstoffzellen mit alkalischem Elektrolyten, wie sie früher in der Raumfahrt eingesetzt wurden, haben keine Bedeutung mehr (CO2-Empfindlichkeit, komplizierter KOH-Kreislauf).
Bei den PEM-Brennstoffzellen besteht der Elektrolyt aus einer 50 - 200 m m dicken Polymermembran, die beispielsweise aus einem Fluorpolymer mit Sulfonsäuregruppen (SO3H) besteht. Kommt die Membrane mit Wasser in Kontakt, dissoziiert die Sulfonsäure-Gruppe und die Membrane erhält so ihren sauren Charakter und somit ihre Protonenleitfähigkeit. Deshalb muß die Polymermembrane ständig feucht gehalten werden.
Bei den MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) wird als Elektrolyt eine Salzschmelze verwendet, die in der Regel aus einem Li2CO3/K2CO3-Gemisch besteht. Da der Schmelzpunkt bei etwa 480°C liegt, sind zum Betrieb Temperaturen von 600-660°C erforderlich. Der Sauerstoff der Luft und Kohlendioxid lösen sich im Elektrolyten und bilden dabei CO32--Ionen, die durch die Elektrolyt-Matrix zur Anode wandern und dort mit Wasserstoff zu CO2 und Wasser reagieren. Deshalb muß der MCFC auf der Kathodenseite neben Sauerstoff auch ständig CO2 zugeführt werden.
Bei der SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) kommt ein keramischer Festelektrolyt in der Regel aus Yttrium-dotiertes Zirkoniumoxid zum Einsatz, der für O22--Ionen leitfähig ist. Die Arbeitstemperatur der SOFC liegt bei 800-1000°C /1/.
Brenngasaufbereitung
Die verschiedenen Brennstoffzellentypen stellen unterschiedliche Anforderungen an Beschaffenheit und Reinheit der Eduktgase. Sollen Kohlenwasserstoffe wie z. B. Erdgas als Brennstoff dienen, müssen diese mittels einer Gasaufbereitungsanlage (fuel processor) in Wasserstoff und CO2 umgesetzt werden. Vorher müssen im Erdgas enthaltene Schwefelverbindungen aus dem Erdgas bis auf Konzentrationen von unter 1 ppm entfernt werden, um die in den nachgeschalteten Anlagenteilen eingesetzten Katalysatormaterialien nicht zu schädigen. Bei niedrigen Konzentrationen an Schwefelverbindungen erfolgt die Entschwefelung mittels chemischer Bindung an ZnO. Die ZnO-Patronen werden in regelmäßigen Abständen ausgetauscht.
Typ Temperatur [°C] Ladungstransport h el [%] Spezifikation PAFC 160 - 220 Anode: H2 ® 2 H+ + 2 e-
Kathode:
2 H+ + 2 e- + ½ O2 ® H2O Erdgas: 40 S < 1 ppm CO < 1%
N2 < 4%
PEM 50 - 90 Anode: H2 ® 2 H+ + 2 e-
Kathode:
2 H+ + 2 e- + ½ O2 ® H2O Erdgas: 40 H2: 50-60 S < 1 ppm CO < 10-100 ppm
MCFC 600-660 Anode: H2 + CO32- ® H2O + CO2 + 2 e-
Kathode:
½ O2 + CO2 + 2e- ® CO32- Erdgas1: 54 S < 1 ppm CO-tolerant
SOFC 800-1000 Anode: H2 + ½ O22- ® H2O + 2 e-
Kathode:
½ O2 + 2 e- ® ½ O22- Erdgas: 250-55 S < 1 ppm CO-tolerant
1 mit Nutzung der Abgasenthalpie in Dampfturbinen h el = 62-65% 2 mit Nutzung der Abgasenthalpie in Dampfturbinen h el = 70-75%
Tabelle 2: Vergleich verschiedener Brennstoffzellen-Konzepte
Die Gasaufbereitung für PAFC und PEMFC erfolgt bei Verwendung von Erdgas in der Regel mit einem Dampfreformer und nachgeschaltetem CO-Shiftreaktor. Dabei entsteht durch Zufuhr von Wasserdampf und Anwesenheit von Katalysatoren ein wasserstoffreiches Synthesegas. Bei der Dampfreformierung finden im Reformer folgende Teilreaktionen statt:
CH4 + H2O ® CO + 3 H2 D H = + 206 kJ/mol (Dampfreformierung)
CO + H2O ® CO2 + H2 D H = - 41 kJ/mol (CO-Shift-Reaktion)
Die Dampfreformierungsreaktion ist endotherm. Das Reaktionsgleichgewicht wird deshalb bei höheren Temperaturen in Richtung der Produkte verschoben. Zur Aufrechterhaltung der Reaktion muß durch Heizen Energie zugeführt werden. Bei Verwendung von Erdgas wird der Dampfreformer bei ca. 700-800°C betrieben.
Die CO-Shiftreaktion hingegen ist exotherm. Durch Temperaturerhöhung verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Edukte. Deshalb muß dem Reformer ein separater CO-Shiftreaktor nachgeschaltet werden um das bei der Dampfreformierungsreaktion entstehende CO (theoretisch 25% im trockenem Produktgas) in Wasserstoff und CO2 umzusetzen. Die Betriebstemperaturen im CO-Shiftreaktor liegen im Bereich von 190-260°C. Am Auslaß des CO-Shiftreaktors enthält das Produktgas noch etwa 0,5-1% CO.
Kommen PEM-Brennstoffzellen zum Einsatz, ist eine weitergehenden H2-Gasreinigung erforderlich, um den CO-Gehalt im Brenngas auf 10 - 100 ppm zu senken. Dabei werden als Reinigungsverfahren hauptsächlich die Oxidation durch Zuführen geringer Luftmengen in Anwesenheit von Edelmetallkatalysatoren oder die Entfernung des CO aus dem Gasstrom mittels Membranverfahren in Betracht gezogen (Abb. 3). Als Membranen eignen sich nichtporöse Metallmembranen auf Basis von Pd-Ag-Legierungen /4/.
Abb. 3: Konzepte für die Brenngasaufbereitung für PEM-Brennstoffzellen
Die Empfindlichkeit von PEM-Brennstoffzellen gegen CO beruht auf der Blockierung des Platinkatalysators der Anode. Dadurch sinkt die Umsetzungsgeschwindigkeit und somit auch die Zellspannung. Das hat wiederum zur Folge, daß der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sinkt.
Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht für CO in Richtung Desorption. Daher vertragen die bei höheren Temperaturen betriebenen phosphorsauren Brennstoffzellen (PAFC) vergleichsweise höhere CO-Konzentrationen im Eduktgas von bis zu 1%. Durch Legieren von Platin (Pt) mit Ruthenium (Ru) kann die CO-Verträglichkeit von PEM-Brennstoffzellen verbessert werden. Entwicklungsziel sind zulässige CO-Konzentrationen von 200-250 ppm im Eduktgas. Durch Ru-Zusatz von 40-60% wurden bis jetzt ca. 100 ppm erreicht /5/.
Bei Festoxid-Brennstoff-Zellen (SOFC) erfolgt eine zellinterne Teilreformierung, durch die der Aufwand für die Wasserstofferzeugung und -aufbereitung erheblich sinkt. Ein Schweizer Hersteller entwickelt zur Zeit SOFC-Systeme für den Leistungsbereich zwischen einigen kW bis 200 kW elektrischer Leistung, die in dezentralen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen eingesetzt werden sollen /6/. Ihre Betriebstemperatur beträgt ca. 900°C. Allerdings dauern Aufheizvorgänge erheblich länger als bei PAFC oder gar den PEM-Brennstoffzellen, so daß sich dieser Typ eher für Anwendungen im Mittel- und Grundlastbetrieb eignet.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) können sogar direkt mit Erdgas oder anderen kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen betrieben werden, da die Reformierung zellintern in der Anodenkammer stattfinden kann. Die Gasreinigung beschränkt sich somit auf die Entfernung von Schwefelverbindungen und eventuell vorhandenen Halogenen im zugeführten Brennstoff. Da der Aufheizvorgang einer MCFC mehrere Stunden in Anspruch nimmt und ihre Zyklenfestigkeit relativ schlecht ist, eignen sich MCFC jedoch ausschließlich zum Einsatz im Grundlastbetrieb. Bei jedem Aufheizvorgang treten große Wärmespannungen im Stack und eine Phasenänderung im Elekrolyten auf. Deshalb ist es zur Verlängerung der Lebensdauer sinnvoll, die MCFC ständig auf Betriebstemperatur zu halten. Die Reformierung verläuft bei Betriebstemperaturen von 600-660°C nahezu vollständig, da sich durch den Verzehr des Wasserstoffs das Reformiergleichgewicht ständig zur Wasserstoffseite hin verschiebt /1/.
Sowohl MCFC, als auch SOFC sind unempfindlich gegen CO. Die Gasreinigung beschränkt sich bei Erdgasbetrieb auf die Entfernung von Schwefelverbindungen.
Brennstoffzellen-Entwicklungen
Kommerziell erhältlich sind bisher nur die phosphorsauren Brennstoffzellen (PAFC) von ONSI. In Europa sind bereits 15 Module mit je 200 kWel und 226 kWth installiert /7/, davon 2 in Hamburg. Demnächst werden noch 3 weitere Module in Hamburg in Betrieb genommen. Weltweit laufen bereits über 100 Anlagen, davon einige bereits mehr als 30.000 Stunden. Der elektrische Wirkungsgrad wird mit 40% angegeben, der Gesamtwirkungsgrad mit 84%. In Hamburg sind sowohl erdgasbetriebene Brennstoffzellen, als auch eine mit reinem H2 betriebene installiert. Die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels wird mit etwa 40.000 Betriebsstunden angegeben. Als Lebensdauer wird im allgemeinen der Zeitraum definiert werden, nach der die Zellspannung und somit der Wirkungsgrad um 15-20 % vom Nennwert (z.B. von 40% auf 34%) abgesunken ist /1/. Wird die Anlage im Grundlastbereich betrieben (8000 h/a), ist etwa alle 5 Jahre ein Austausch des Brennstoffzellenstapels erforderlich. Die Investitionskosten für das PAFC-Brennstoffzellen-BHKW von ONSI werden mit etwa 1.000.000,- DM angegeben. Pro kW elektrische Leistung wären somit ca. 5000,- DM erforderlich.
Der Brennstoffzellenstack darf 42°C nicht unterschreiten, da sonst die H3PO4 auskristallisiert. Er wird daher immer auf einer Temperatur von ca. 50°C gehalten /8/. Das Aufheizen des Brennstoffzellenstacks von 50°C auf Betriebstemperatur (etwa 180°C) dauert ca. 3,5 Stunden. Dann befindet sich die Brennstoffzellenanlage im Leerlauf. Zum Hochfahren auf die volle Leistung von 200 kWel sind nur wenige Sekunden erforderlich. Da dieser Brennstoffzellentyp jedoch immer auf eine bestimmte Mindesttemperatur (50°C) gehalten werden muß, wird er hauptsächlich für Dauerbetrieb eingesetzt, jedoch mit der Möglichkeit dem Lastgang zu folgen. Auch im Teillastbetrieb bis hinunter zu 50% der Nominallast kann die PAFC bei gleichem elektrische Wirkungsgrad (40%) Leistung zur Verfügung stellen, und sind daher Verbrennungsmotoren überlegen. Unter einer bestimmten Auslastung sinkt der Wirkungsgrad jedoch ab, da sich dann der Einfluß des Eigenverbrauchs von Nebenaggregaten wie Ventilatoren, Pumpen etc. negativ auswirkt.
Seit Anfang 1996 liefert in Santa Clara, Kalifornien eine ergasbetriebene MCFC Strom ins örtliche Netz. Die Anlage besteht aus mehreren Modulen mit je 350 kWel. Der Gesamtwirkungsgrad beträgt etwa 85%, davon 55-60% elektrisch, der Rest als nutzbare Wärme für Heizung und Warmwasser. Auch für die Deponiegasnutzung wird der Einsatz von Brennstoffzellen vorgeschlagen. In einem Pilotprojekt in Anoka, Minnesota, plant die Energy Research Corporation (ERC) mit Unterstützung des Department of Energy (DOE) ein MCFC-Kraftwerk zu errichten /9/. Denkbar wäre somit auch der Einsatz von MCFC zur Nutzung von Biogas z.B. in Kläranlagen oder in biotechnischen Abfallverwertungsanlagen (BTA).
Für den Betrieb von Brennstoffzellen sind je nach Brennstoffzellentyp in mehr oder weniger großem Umfang Zusatzaggregate wie Kompressoren, Gebläse, Rohrleitungen und Gasreinigung erforderlich. Deshalb wird daran gearbeitet, die verschiedenen Anlagenteile zu vereinfachen und das sonst übliche Rohrgewirr durch kompaktere Konstruktion zu vermindern. Ingenieuren bei MTU gelang es bei der Entwicklung eines neuartigen MCFC-Moduls (Hot Modul), nahezu alle erforderlichen Bauteile in ein tonnenförmiges Gebilde unterzubringen. Dadurch können die Baumaße soweit reduziert werden, daß die gesamte Kraftwerksanlage (Leistung ca. 300 kWel) auf die Ladefläche eines LKW paßt /10/.
Das größte Entwicklungspotential wird trotz aufwendigerer Gasaufbereitung den PEM-Brennstoffzellen vorausgesagt. PEM-Brennstoffzellen weisen gute Kaltstarteigenschaften, hohe Wirkungsgrade, auch im Teillastbereich, sowie günstiges Lastwechselverhalten auf. Im Gegensatz zu den PAFC und insbesondere den MCFC müssen sie nicht auf Mindesttemperatur gehalten werden. PEM-Brennstoffzellen gibt es mit Leistungen von wenigen Watt für den Betrieb von tragbaren Computern bis zu einigen 100 kW für die Versorgung von Siedlungen mit Strom und Wärme. Sie eignen sich somit hervorragend für den Einsatz in dezentralen Blockheizkraftwerken und für mobile Anwendungen wie für den Betrieb von Bussen. Für die Versorgung von Einfamilienhäusern sind PEM-Brennstoffzellen-Systeme mit 5 kWel geplant. Ballard plant ein 250 kWel-BHKW-Modul auf den Markt zu bringen. Auch ein kleineres PEM-Brennstoffzellen-BHKW mit 10 kWel ist geplant /11/.
Ausblick
Brennstoffzellen bieten ein breites Einsatzspektrum. Sogar die Versorgung von Einfamilienhäusern mit Strom und Wärme kann dann durch Klein-BHKW mit Leistungen von etwa 5 kWel auf Basis von PEM-Brennstoffzellen erfolgen. Für den Grundlastbetrieb mit kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen wie Erdgas, Biogas oder Gas aus Biomassevergasung eignen sich vor allem MCFC- und SOFC-BHKW. Auch das einzige bisher auf dem Markt erhältliche Brennstoffzellen-BHKW, die PAFC von ONSI, wird eher für Grundlastbetrieb eingesetzt. Dagegen sind für wechselnde Last und „taktenden" Betrieb PEM-Brennstoffzellen am besten geeignet, erfordern aber einen gößeren Aufwand für Gasaufbereitung und -reinigung.
Brennstoffzellen-BHKW können, im Gegensatz zu den heute verbreiteten Großkraftwerken auf Basis von Kohle und Uran, rasch auf Laständerungen im Stromnetz reagieren, was vor allem im Verbund mit fluktuierenden Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft wichtig ist.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit zum Einsatz von Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen. Dabei ist auch die Kombination von Erdgas und regenerativ erzeugtem Wasserstoff möglich. Bei entsprechender Durchdringung von regenerativen Energiequellen wie Photovoltaik und Windenergie im Stromnetz könnte Überschußstrom z.B. aus Photovoltaikanlagen in Zeiten großer Sonneneinstrahlung zur Wasserstofferzeugung verwendet werden. Der Wasserstoff kann gespeichert und bei Bedarf in Brennstoffzellen wieder in Strom und Wärme umgewandelt werden.
Literatur
/1/ Heuser, R.: Brennstoffzellen - Grundlagen, Entwicklungsstand, Identifizierung geeigneter Systeme für Traktionsanwendungen, Diplomarbeit, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, 1995
/2/ Projektbeschreibung Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellen-Pilot-BHKW, Hamburgische ElektrizitätsWerke AG, Hamburger Gaswerke GmbH, 1996
/3/ Ahn, J., Brammer; F., Wendt; H.: Projekt „Hessische Brennstoffzelle", BWK, Bd. 48, Nr. 3, März 1996
/4/ Bünger, U.; Weindorf, W.: Verfahren zur Reinigung von Wasserstoff für den Einsatz in kleinen Brennstoffzellen, interne Studie, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Nov. 1996
/5/ Iwase, M.; Kawatsu, S.: Optimized CO Tolerant Elektrcatalysts for Polymer Elektrolyte Fuel Cells, Electrochemical Society Proceedings, Volume 95-23, 1995, S. 12 - 23
/6/ Diethelm, R.: Energie für die Zukunft, Sulzer Technical Review 2/95
/7/ CLC Fuel Cell Gazette, Edition 2, October 1996
/8/ Gummert, G., Hamburger Gaswerke GmbH, persönliche Mitteilung, 1996
/9/ Internetseiten METC, http://www.metc.doe.gov, 1996
/10/ Ewe, T.: Das Öko-Kraftwerk, Bild der Wissenschaft, 11/1996
/11/ Ballard, Firmenprospekt, 1996
Auzug ohne Bilder : http://www.hydrogen.org/Wissen/brennsto.htm
http://www.innovation-brennstoffzelle.de/
http://www.gbt.ch/gbt/start_d.htm
http://www.gbt.ch/_forum/0000014c.htm
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12 Dec 2004
22:15:54 |
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