Wasserstoff und Brennstoffzellen

Einführung ins Thema

Seit der Entdeckung des Brennstoffzelleneffekts im Jahr 1838 durch Christian Schönbein entwickelte sich die Technologie zu einer effizienten Möglichkeit gleichzeitig Strom und Wärme zu erzeugen.

Betrieb stationärer Brennstoffzellen

Von Heinrich Wilk*

Stationäre Brennstoffzellen werden mit Erdgas oder auch Biogas betrieben. Neben herkömmlichen dezentralen BHKW-Technologien, wie Gasmotoren und Mikrogasturbinen hat die Entwicklung von Brennstoffzellenanlagen in den letzten Jahren international einen großen Aufschwung genommen. Der Leistungsbereich erstreckt sich derzeit von 1 kW bis 1.000 kW. Alle bekannten Gasgerätehersteller arbeiten intensiv an der Entwicklung von so genannten Brennstoffzellen-Heizgeräten.

Technologie der Brennstoffzellen

Die ersten stationären Brennstoffzellen-BHKW waren vom PAFC Typ und wurden 1988 von der amerikanischen Firma ONSI Corp. entwickelt. Der Elektrolyt ist hier konzentrierte Phosphorsäure, die als Paste in ein Gewebe gestrichen wurde. In den letzten Jahren wurden weltweit über 200 Anlagen in Containerbauweise mit einer elektrischen Leistung von 200 kW eingesetzt. Einige erreichten eine Betriebsdauer von über 35.000 Stunden. Der elektrische Wirkungsgrad betrug etwa 40%. In Versuchsprojekten wurden ONSI-Anlagen mittlerweile auch mit Deponiegas bzw. Klärgas betrieben (z. B. Köln, Rodenkirchen). Das PAFC-Konzept wird von ONSI allerdings nicht mehr weiter verfolgt (siehe unten, Polymermembran Brennstoffzellen).

Festoxid Brennstoffzellen SOFC

Bei dieser Technologie werden keramische Elektrolyte verwendet, die bei 900 bis 1000 °C ionenleitend werden. Der Vorteil liegt darin, dass die Reformierung des Erdgases zu Wasserstoff direkt in den Zellen erfolgen kann.
Die Firma Sulzer Hexis aus Winterthur hat im März 2001 auf der ISH in Frankfurt erstmals das Brennstoffzellengerät HXS1000 vorgestellt. Der SOFC-Zellenstapel beinhaltet keramischen Elektrolytscheiben und Bipolarplatten/Stromsammler aus einer hochwertigen Chromlegierung, die von den Planseewerken in Österreich hergestellt werden. Die planaren Zellen von Sulzer Hexis sind derzeit in 110 Anlagen in Betrieb (das Titelbild dieses Artikels zeigt ein Sulzer Hexis SOFC-Brennstoffzellen-Heizgerät). Diese Geräte sind auf die Anwendung in Einfamilienhäusern zugeschnitten und haben eine elektrische Leistung von 1 kW.
Siemens Westinghouse hingegen arbeitet mit Röhrenzellen. Diese BHKW-Anlagen haben derzeit eine elektrische Leistung von 100 bis etwa 320 kW. Elektrische Wirkungsgrade von über 50% sollen mit dieser Technologie möglich sein.

Polymermembran Brennstoffzellen PEM

Den Niedertemperaturbrennstoffzellen werden heute neben der SOFC die größten Zukunftschancen zugeschrieben. Als Elektrolyt wird eine dünne Teflonfolie verwendet, die einer speziellen Säurebehandlung unterzogen wurde. Der Wasserstoff wird hier in einem externen Reformer aus Erdgas hergestellt. Eine besondere Herausforderung ist der Bau von kleinen Reformern im Leistungsbereich von einigen kW. Weiters darf nur ganz wenig KohlenmoNO_xid im Reformat enthalten sein. Viele bekannte Gasgerätehersteller wie Vaillant (Abbildung 1), Buderus, Baxi und Viessmann arbeiten an Brennstoffzellen-Heizgeräten mit PEM-Technologie. In den meisten Fällen liefern amerikanische Partnerfirmen den Zellenstapel (Plug Power und andere). Im Jahr 2000 wurden erstmals auch große Brennstoffzellenanlagen auf PEM-Basis in Berlin und Basel in Betrieb genommen. Die elektrische Nennleistung beträgt 250 kW. Der Lieferant war Alstom-Ballard. Bisher konnte ein elektrischer Wirkungsgrad von maximal 35% erreicht werden.

Abbildung 1: PEM-BZ-Heizgerät von Vaillant, elektrische Leistung: 4,6 kW [5]

Integration von Brennstoffzellen in Gebäude

Die Integration von Brennstoffzellen in das Energiesystem von Gebäuden wird als Option für die Energiebereitstellung der Zukunft gesehen. Brennstoffzellen eignen sich für die dezentrale Versorgung von Kundenanlagen mit Strom und Wärme. Die BZ-Anlage muss sowohl mit dem Wärmeverteilsystem des Gebäudes als auch mit dem Stromnetz optimal zusammenarbeiten können. Der rechnerisch ermittelte Wärmebedarf eines typischen Einfamilienhauses ist nach der aktuellen Bauordnung etwa 8 kW. Der Wärmebedarf beschränkt sich im Sommer auf die Warmwasserbereitung. Es ist zu erwarten, dass in vielen Fällen solarthermische Warmwasserbereitungsanlagen diesen Teil übernehmen. Die Wirtschaftlichkeit jeder BHKW-Anlage hängt von ihrer Betriebsstundenzahl ab. Ebenso wie Gasmotoraggregate werden auch Brennstoffzellenanlagen so ausgelegt, dass sie jahresdurchgängig Grundlast liefern können. Bei großen Wohnanlagen ist das leicht zu realisieren, wenn man die BZ-Anlage auf die Warmwasserbereitung auslegt und daher Volllastbetrieb möglich ist (ca. 0,5 kW_therm pro Familie). Ein weiterer Faktor ist der Wert des ausgekoppelten Stromes.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Brennstoffzelle, die Gleichstrom erzeugt mit einem Wechselrichter im netzparallelen Betrieb arbeitet. Die Verbraucher im Gebäude werden direkt versorgt und eventuelle Überschüsse ins Stromnetz gespeist. Übersteigt die Leistung der Verbraucher die Stromlieferung der Brennstoffzelle so wird Strom aus dem Netz bezogen (siehe Abbildung 2, analog einer Photovoltaikanlage). In großen Objekten kann der Strom meist zur Gänze im Haus verbraucht werden. Man vermeidet dann die Kosten für den Netzbezug.
Betrachtet man den elektrischen Lastverlauf einer Wohnung so sieht man in den Nachtstunden nur den Leistungsbedarf von Kühlschrank und Kühltruhe sowie einige kleinere Stand-By-Verbraucher. Die Leistung pendelt zwischen 50 W und 220 W.

Abbildung 2: Einbindung der Brennstoffzelle in das elektrische System des Gebäudes

Abbildung 3: Brennstoffzellen-Deckungsgrad, Simulationsergebnis [2]

Betriebsverhalten von stationären Brennstoffzellen

Wählt man eine kleine Brennstoffzelle mit einer elektrischen Leistung von 1 kW, so sieht man, dass in den Nachtstunden und am Vormittag ein großer Teil der Stromproduktion nicht im Haus genutzt werden kann. Man könnte zwar die Brennstoffzelle auf Teillast laufen lassen, doch ist das wegen des Eigenverbrauchs der diversen Hilfsaggregate nicht optimal. Nach einer Studie der TU-München [4] kann man mit einer 1 kW_el-Brennstoffzelle beim stromgeführten Betrieb etwa 87% des Jahresstrombedarfs und 20% des Wärmebedarfs eines Einfamilienhauses abdecken. Das Ergebnis einer Simulationsrechnung wird in Abbildung 3 dargestellt [2] und deckt sich weitgehend mit der Münchner Studie. Der Anteil des im eigenen Haus genutzten Stromes aus der Brennstoffzelle nimmt mit steigender Systemgröße der BZ-Anlage ab. Beim wärmegeführten Betrieb erreicht man die höchste Zahl an Betriebsstunden, wenn die thermische Leistung der Brennstoffzelle auf den Energiebedarf für die Warmwasserbereitung abgestimmt ist (= Grundlast 8760 Stunden/Jahr). Es kann aber auch sinnvoll sein die Anlage im Sommer stillzulegen. Neue PEM-Brennstoffzellen-Heizgeräte wie die EURO 2 von Vaillant können moduliert werden. Das heißt, dass ein Regler die Leistung von ca. 0,5 Pnenn bis Pnenn einstellen kann. Generell gilt heute immer noch, dass thermische Zyklen die Lebenserwartung von Brennstoffzellen und Reformer reduzieren. Bei der SOFC liegt das an der hohen Zellentemperatur von 900 bis 1000 °C und bei der PEM an der Temperatur im Reformer, die auch im Bereich von 700 °C liegt.
Die Nutzwärme ist bei PEM-Brennstoffzellen nur auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau von maximal 70 °C verfügbar. Die Anwendbarkeit wird dadurch auf Gebäude mit Niedertemperatur-Heizsystemen eingeschränkt. Weiters ist es wegen des komplizierten Wasserhaushalts der PEM-Zellen erforderlich, dass die Rücklauftemperatur auf einem niedrigen Niveau bleibt (max. 50 °C). Die Versorgung von Fernwärmesystemen ist deshalb mit diesem Typ nicht möglich, weil dort die Vorlauftemperaturen 95 bis 130 °C betragen müssen.

Literatur
/1/ Haiböck, Zappe (OÖ Ferngas), Stockenreitner, Wilk (Energie AG OÖ), "Das oberösterreichische Brennstoffzellenprojekt", VEÖ Journal, Juni 2001
/2/ Wilk H., Energie AG, "Brennstoffzellen: Betriebsweisen und Systemeinbindung aus Sicht eines EVU", Vortrag: Symposium "Biogas - Brennstoffzellensysteme", bmvit und E.V.A., PROFACTOR Steyr, 15. Mai 2001
/3/ Tagungsband Symposium "Zukunft Wasserstoff - Forum Brennstoffzelle", 14./15. 10. 2003, Eigentümer Verleger und Herausgeber: Energie AG OÖ, A-4021 Linz und Erdgas OÖ Neubauzeile 99, 4030 Linz
/4/ U. Wagner, C. Hutter, Th. Krammer, TU-München, Inst. für Energiewirtschaft,
Simulation eines Einfamilienhauses mit einer Brennstoffzelle (1 kW el.)
/5/ Foto der Vaillant-Anlage im Hotel Ochensberger, St. Ruprecht an der Raab, BZ-Projekt der Steirischen Ferngas AG (2003)
/6/ Steinecker W., "Das Projekt der Energie AG: Erste Erfahrungen in Österreich mit der Sulzer Hexis SOFC", Ueberreuter Managerakademie, Wien, 20. 3. 2003
/7/ Rechberger N., "Brennstoffzellen - die Technologie des 21. Jahrhunderts", Ueberreuter Managerakademie Wien, 26./27. 2. 2002

*) Dipl.-Ing. Heinrich Wilk ist Mitarbeiter der Energie AG OÖ und Projektleiter in derARGE Brennstoffzelle, einer Koopertion von Erdgas OÖ und Energie AG heinrich.wilk@energieag.at, www.energieag.at, www.erdgasooe.at [^]