IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 20/1998, Seite 44 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Die Brennstoffzelle

Eine technische Innovation wird greifbar

Dr. Bernd Ganser*

Brennstoffzellen sind hocheffiziente elektrochemische Stromerzeuger, in denen die chemische Energie eines Energieträgers direkt in Strom und Wärme umgewandelt wird. Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 (22 Jahre vor der Erfindung des Viertakt-Otto-Motors) durch Sir William Grove entdeckt. Im Gegensatz zu den konventionellen Techniken geschieht die Stromerzeugung in einer Brennstoffzelle ohne den Umweg über die Wärmeerzeugung. Forscher und Entwickler in der ganzen Welt versuchen heute, der Vision einer emissionsarmen, direkten elektrochemischen Energieerzeugung mit hohem Wirkungsgrad zum Durchbruch zu verhelfen.

Bild 1: Funktionsprinzip von Niedertemperaturbrennstoffzellen.

Die Erwartungen an die Brennstoffzellentechnologie sind hoch gesteckt und fast alle namhaften Technologiekonzerne rund um den Globus haben ehrgeizige Entwicklungsprogramme aufgelegt. Aufgrund der Fortschritte in den letzten fünf Jahren hat auch das Interesse der Öffentlichkeit und der Politik an der Brennstoffzellentechnologie stark zugenommen. Die prinzipiellen Vorteile dieser nicht neuen aber weitgehend unbekannten Technologie sind:

Brennstoffzellen unterliegen aufgrund ihrer elektrochemischen Wirkungsweise nicht dem Carnot-Gesetz, das den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen in Abhängigkeit der Arbeitstemperatur beschränkt. Moderne Gas- und Dampfkraftwerke (GuD) erzielen elektrische Wirkungsgrade im Bereich bis 58%, während Brennstoffzellen Wirkungsgrade von über 65% aufweisen können. In Kombination mit den konkurrenzlos geringen Emissionen gilt der Brennstoffzelle deshalb ein starkes Interesse in nahezu allen Leistungsbereichen der dezentralen Stromerzeugung und der Kraft-Wärme-Kopplung.

Brennstoffzellen stellen eine effiziente und gleichzeitig emissionsarme Erdgasverwendungstechnologie dar, der ein großes Potential vorausgesagt wird. Grund genug für die rhenag (Rheinische Energie Aktiengesellschaft) als Versorgungs- und Dienstleistungsunternehmen, sich intensiv mit dieser Technologie auseinanderzusetzen und Anwendungsmöglichkeiten für eine baldige Markteinführung zu untersuchen.

Bild 2: Schematische Darstellung eines BHKWs mit Brennstoffzelle.

Aufbau

Das Prinzip der Brennstoffzelle basiert auf der Umkehrung der Elektrolyse. Während bei der Elektrolyse Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, so wird in der Brennstoffzelle aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom und Wasser erzeugt. Zur direkten Umsetzung der chemischen Energie in Elektrizität dürfen die Reaktionspartner nicht wie bei der Verbrennung direkt zusammentreffen, sondern sie müssen räumlich getrennt voneinander umgesetzt werden. Den schematischen Aufbau einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit der räumlichen Trennung der Reaktionspartner zeigt Bild 1.

Die wichtigsten Bestandteile eines Brennstoffzellenstapels sind:

Funktionsweise

Eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle funktioniert nach folgendem Prinzip:

Der Anode wird kontinuierlich ein wasserstoffreiches Gas zugeführt, das an der Anode in Elektronen und Protonen aufgespalten wird. Die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis, d.h. durch einen elektrischen Verbraucher zur Kathode, an der das Reaktionswasser gebildet wird. Die Protonen werden von der Anode durch den Elektrolyten, der beide Elektroden elektrisch voneinander isoliert, zur Kathode transportiert. Das mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft gebildete Wasser ist das einzige Reaktionsprodukt und wird mit der überschüssigen Luft aus dem Kathodenraum abtransportiert. Zur Erhöhung der Leistung werden, wie es auch beim Einsatz von Batterien üblich ist, beliebig viele Einzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet.

Brenngas

Brennstoffzellen benötigen Wasserstoff als Brenngas. Dieser ist jedoch kein Primärenergieträger, der aus natürlichen Quellen gefördert werden kann - er muß erzeugt werden. Für großindustrielle Prozesse wird Wasserstoff seit Jahrzehnten effizient und kostengünstig aus Erdgas hergestellt. Mit Hilfe eines sogenannten Reformers wird der an den Kohlenstoff gebundene Wasserstoff (Erdgas = CH4) abgespalten und steht dann für die Umsetzung in der Brennstoffzelle zur Verfügung. Dieser Reformierungsvorgang wird nachfolgend noch näher erläutert.

Aufbau eines Brennstoffzellen-BHKWs

Die wesentlichen Komponenten für ein Brennstoffzellen-BHKW mit Erdgas sind:

Das eintretende Erdgas wird zunächst gereinigt (gefiltert und entschwefelt) und im Reformer zusammen mit überhitztem Wasserdampf nach folgender Reaktionsformel:

CH4 + 2 H2O = 4 H2 + CO2

in ein wasserstoffhaltiges Prozeßgas umgewandelt. Da diese Umwandlung Energie benötigt, muß zur Aufrechterhaltung der Reaktion der Reformer beheizt werden. Dies geschieht mittels des nicht verbrauchten Anodengases, d.h. mit dem überschüssigen nicht in Strom umgewandelten Wasserstoff. Das im Reformer erzeugte Prozeßgas wird der Anode zugeführt und mit der Luft von der Kathodenseite elektrochemisch zu Wasser und Strom umgewandelt. Der in der Zelle entstehende Wasserdampf wird teilweise aus den Abgasen auskondensiert und in das System wieder rückgeführt. Die Abwärme der Brennstoffzelle wird über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und zu Heizzwekken an den Verbraucher abgegeben.

Tabelle 1

Brennstoffzellentyp

Abkürzung

Elektrolyt

Ladungsträger

Betriebstemperatur

Alkalische -BZ

AFC

Kalilauge

OH-

<100C

Polymermembran-BZ

PEMFC

Polymermembran

H+

<100C

Phosporsaure-BZ

PAFC

Phosphorsäure

H+

170-220C

Karbonatschmelzen-BZ

MCFC

Karbonatschmelze

CO32-

ca. 650C

Festelektrolyt-BZ

SOFC

Festelektrolyt

O2-

850-1000C

(FC: Abkürzung für Fuel Cell = Brennstoffzelle)

Brennstoffzellentypen

Die Umwandlung der chemischen Energie in Strom und Wärme kann in verschiedenen Brennstoffzellentypen erfolgen. Die Einteilung der Brennstoffzellen erfolgt nach der Art des Elektrolyten und der Betriebstemperatur (siehe Tabelle 1).

Die Niedertemperatur-Brennstoffzellen (AFC, PEMFC und PAFC) benötigen zur Umsetzung des Wasser- und Sauerstoffes an den Elektroden einen Katalysator. Meistens werden Edelmetalle (Platin, Palladium, Rhutenium etc.) oder deren Legierungen hierfür verwendet.

Einsatzbereiche

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Eigenschaften ergeben sich für die verschiedenen Brennstoffzellentypen unterschiedliche Anwendungsgebiete und Entwicklungspotentiale.

AFC

Die alkalische Brennstoffzelle arbeitet bei verhältnismäßig geringen Betriebstemperaturen, benötigt jedoch als Brennstoff hochreinen Wasserstoff und Sauerstoff. Obwohl sie einen sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad erreicht, ist der Anwendungsbereich der AFC durch diese Forderung nach Reinstgasen sehr beschränkt. Die bisher gebauten Einheiten liegen in einem Leistungsbereich von 1 bis 100 kWel. Spektakulärster Einsatzbereich war die Energieerzeugung für einen elektrischen U-Boot-Antrieb und der Einsatz in der Raumfahrt. Die weitere Entwicklung der AFC wird heute weitestgehend durch den militärischen Einsatz und durch Spezialanwendungsfälle bestimmt. Die Entwicklungsaktivitäten sind im Vergleich zu den anderen Brennstoffzellentypen gering.

PAFC

Bei der PAFC wird Phosphorsäure als Elektrolyt verwendet. Die Phosphorsäure leitet die Wasserstoff-Protonen von der Anoden- zur Kathodenseite. Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle wurde hauptsächlich in den USA und Japan entwickelt und stellt den einzigen BZ-Typ dar, der bereits heute kommerziell verfügbar ist. Die bisher gebauten Anlagen decken einen Leistungsbereich von 50 kWel bis 11 MWel ab.

Am weitesten gediehen ist die Entwicklung der Firma ONSI/USA, die ein 200 kWel - Brennstoffzellen BHKW (PC 25) für den Einsatz von Erdgas anbieten. Die bisher an dieser Anlage vorgenommenen Emissionsmessungen bestätigen eindrucksvoll die ökologischen Vorteile der Brennstoffzelle. Im Vergleich zu den vorgegebenen Grenzwerten der TA-Luft, lagen die Emissionen von Kohlenmonoxid bei ca. 3% und die Werte für Stickoxide bei ca. 1% des Grenzwertes. Zusätzlich werden pro Kilowattstunde elektrischer Energie ca. 10-20% weniger Kohlendioxid produziert. Die Emissionen werden fast ausschließlich durch die Beheizung des Reformers verursacht. Die eigentliche Brennstoffzelle ist quasi emissions- und geräuschfrei in jedem Betriebszustand. Lärm- und Schadstoffemissionen entstehen nur in der Peripherie durch die zum Betrieb notwendigen Komponenten.

Bild 3: Die Automobilindustrie als Schrittmacher der Brennstoffzellentechnologie setzt große Hoffnungen auf den neuen PKW-Antrieb.
Foto: Daimler Benz.

Bild 4: Die Brennstoffzelle selbst ist im Boden des Fahrzeugs untergebracht, weitere Komponenten des Systems sind anstelle der Rückbank angeordnet. Noch ist dieses Fahrzeug ein Zweisitzer, aber die Technik macht rasante Fortschritte.
Foto: Daimler Benz.

PEMFC

Die PEMFC verwendet eine dünne feste Polymermembran als Elektrolyten. Die Membran leitet die Wasserstoff-Protonen von der Anoden- zur Kathodenseite. Membran-Brennstoffzellen wurden ursprünglich für militärische Anwendungen und für Raumfahrtprojekte entwickelt. Eines der ersten funktionstüchtigen und einsatzfähigen Aggregate wurde von General Electric (USA) im Jahre 1963 entwickelt. Das Brennstoffzellenaggregat hatte eine elektrische Leistung von ca. 1 kWel und wurde auf allen sieben Gemini-Raumflügen erfolgreich eingesetzt.

PEM-Brennstoffzellen besitzen folgende Vorteile:

Zur Zeit werden weltweit intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten für eine Anwendung der PEMFC im Verkehrsbereich durchgeführt. Die PEM-Brennstoffzelle reagiert äußerst schnell auf Laständerungen und ermöglicht so den Einsatz auch unter hochdynamischen Einsatzbedingungen. Die Automobilindustrie setzt große Hoffnungen in die Anwendung als Fahrzeugantrieb, entsprechende Projekte laufen bei einer Vielzahl weltweit tätiger Unternehmen, wie beipielsweise Mazda, Toyota, Honda, Ford, Mercedes-Benz, BMW, Volkswagen und Siemens.

Zusätzlich zum Verkehrsbereich wird der Einsatz der PEM-Brennstoffzelle für die dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung im Hausbereich diskutiert. Auch in diesen Anwendungsbereichen laufen in 1998/99 die ersten Pilotprojekte zur praktischen Erprobung der Anlagen an.

Bild 5: Innovative und umweltschonende Haustechnik im Technologieorientierten Gründerzentrum (TGZ) Riesa-Großenhain.

MCFC

Die Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle liegt in der Betriebstemperatur zwischen den beiden Extremen der Niedertemperatur- und den Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Das charakteristische Merkmal der MCFC besteht darin, daß der Luftsauerstoff durch doppelt negativ geladene Karbonat-Ionen (CO32-) von der Kathode zur Anode transportiert wird. Als Elektrolyt dient eine Schmelze aus Kaliumkarbonat (Pottasche) und Lithiumkarbonat. Das Temperaturniveau von ca. 650C ist ausreichend für eine direkte Umsetzung des Wasserstoffes an der Anode, ohne das diese mit Edelmetallkatalysatoren beschichtet werden muß. Zusätzlich können bei diesen Temperaturen noch metallische Werkstoffe eingesetzt werden, und die Abwärme der Zelle kann auf verschiedenste Art und Weise nochmals genutzt werden. Dies geschieht zum einen durch die Nutzung der Zellenabwärme zur Reformierung von Erdgas in Wasserstoff und Kohlendioxid, und zum anderen durch die Erzeugung von Prozeßdampf, der für industrielle Zwecke oder in einem nachgeschalteten Turbinensatz zur weiteren Stromerzeugung genutzt werden kann. Durch letztgenannte Maßnahme wird der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung, ähnlich wie bei einem Gas- und Dampf-Kraftwerk, nochmals deutlich erhöht. Diese Möglichkeiten sind vor allen Dingen bei Anlagen von mehr als 10 MWel Leistung attraktiv. Für diese Leistungsklasse können elektrische Systemwirkungsgrade von 65% und Gesamtwirkungsgrade (elektrisch und thermisch) von ca. 85% erwartet werden.

SOFC

Bei der Festelektrolyt-Brennstoffzelle wird als Elektrolyt eine stabilisierte Zirkoniumdioxid-Keramik verwendet. Der Elektrolyt leitet bei Temperaturen oberhalb von 850C die zweifach negativ geladenen Sauerstoffionen von der Kathodenseite zur Anodenseite. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur der SOFC können normalerweise keine metallischen Werkstoffe eingesetzt werden, weshalb materialtechnische Fragen bei der Weiterentwicklung heute noch im Vordergrund stehen. Vor allen Dingen die Beherrschung der Gasanschlüsse (Dichtheit) und der mechanischen Spannungen bei der Kombination verschiedener keramischer Materialien und Temperaturen von 1000C sind eine technische Herausforderung.

Bis heute wurden Versuchsanlagen bis 100 kWel Leistung gebaut, in Labortests wurde eine Lebensdauer von mehr als 40.000 Stunden bereits nachgewiesen. Zielvorstellung ist es, durch veränderte Elektrolyte die Betriebstemperatur auf 800C senken zu können, da dann auch metallische Werkstoffe verwendet werden könnten.

Als Einsatzfeld der SOFC wird vor allem der BHKW-Einsatz im Leistungsbereich von Ein- und Mehrfamilienhäusern (1-500 kWel) und der Kraftwerksbereich bis 100 MWel favorisiert.

Umweltschonende Haustechnik

Bereits seit 1995 unterstützt die rhenag ein Projekt zur Erprobung neuer Haustechnik im Technologieorientierten Gründerzentrum des Landkreises Riesa-Großenhain. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, der Verbundnetz Gas AG und der Gasversorgung Sachsen Ost GmbH wurde eine Pilotanlage konzipiert, die eine Verknüpfung erdgasbetriebener Komponenten (Katalytbrenner, Brennwertgerät, Schichtspeicher, Brennstoffzelle) mit solarthermischen Einrichtungen (Kollektoren, solar betriebene Klimaanlage) demonstriert. Nahezu alle Geräte sind bislang nur als Prototypen verfügbar. Das Herzstück der Installation ist eine Polymermembran-Brennstoffzelle, die eine elektrische Leistung von 7,5 kW über einen Inverter mit einer Spannung von 400 Volt in die Stromversorgung des Technologiezentrums einspeist. Die Abwärme der Brennstoffzelle dient zur Erwärmung des Brauchwassers.

Die bisherigen Versuchsergebnisse belegen die prinzipielle Eignung der Brennstoffzellentechnologie zur Versorgung von Wohn-, Gewerbe- und Bürogebäuden mit Strom und Wärme. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, daß die gewählten Komponenten in den nächsten Jahren bereits als Serienprodukte am Markt verfügbar sind, so ist es doch bereits heute erforderlich, Schnittstellen und Anforderungen der zukünftigen Haustechnik zu definieren. Für die elektrische, hydraulische, gas- und wärmetechnische Einbindung von Brennstoffzellen in die Haustechnik müssen schon heute aussagekräftige Praxiserfahrungen durch geeignete Pilotprojekte und Feldtests gesammelt werden.

Große Hoffnungen setzen Experten auf den Einsatz von PEM- und SO-Brennstoffzellen in der Haustechnik. Beide Systeme versprechen hohe elektrische Wirkungsgrade von bis zu 50% und sollen als Mini-BHKWs in Ein- und Mehrfamilienhäusern eingesetzt werden. Die in 1998/99 bei der rhenag und anderen Versorgungsunternehmen mit diesen Brennstoffzellentypen anlaufenden Feldtests im Bereich 1 bis 3 kWel (8 bis 21 kWth) werden weiteren Aufschluß über die technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen geben. Trotz des mittlerweile fortgeschrittenen Entwicklungsstandes werden die ersten seriennahen Anlagen frühestens in vier bis fünf Jahren auf dem Markt erhältlich sein.

Aussichten

Brennstoffzellen können zum jetzigen Zeitpunkt bei spezifischen Investitionskosten von ca. 5000,- bis 50.000,- DM/kWel unter rein wirtschaftlichen Gesichtspunkten noch nicht mit Gasmotoren-BHKWs, egal welcher Größe, konkurrieren. Die von der Industrie erwarteten spezifischen Kosten bei Serienproduktion (ab 2010) liegen zwischen 150 und 1500 DM/kWel ohne Peripheriekomponenten (Reformer, Inverter, Wärmeaustauscher etc.). Wenn diese Ziele erreicht werden, können bereits kleine Anlagen im Ein- oder Mehrfamilienhaus wirtschaftlich betrieben werden. Eine besondere Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit kommt neben den Investitionskosten der bei optimaler Betriebsweise der Brennstoffzelle erzeugbaren Strom- und Wärmemenge zu. Der hohe elektrische Wirkungsgrad muß in Kombination mit einer flexiblen Betriebsführung erkennbare wirtschaftliche Vorteile für den Nutzer gegenüber der konventionellen Versorgung und den gasmotorisch betriebenen BHKWs aufweisen. Wenn diese Grundforderungen erfüllt werden, ist der Brennstoffzellentechnologie eine große Zukunft in der Haustechnik beschieden.


* Dr. Bernd Ganser, Mitarbeiter der rhenag Rheinische Energie Aktiengesellschaft.