Elektrotechnik
Brennstoffzellen - auch für die Hausenergieversorgung
ep6/2006, 5 Seiten
Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 6 476 FÜR DIE PRAXIS Energieversorgung Von den Anfängen bis zum Einsatz als KWK-Anlage „Was werden wir später einmal statt Kohle verbrennen?“, lässt Jules Verne in einem seiner Romane einen Seemann den anderen fragen. Dessen Antwort: „Wasser! Wasserstoff und Sauerstoff werden für sich oder zusammen zu einer unerschöpflichen Quelle von Wärme und Licht werden, von einer Intensität, die die Kohle überhaupt nicht haben könnte; das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“ Das war 1874. Ob Jules Verne damals das Prinzip der Brennstoffzelle schon kannte? Möglich wäre es, denn erste Versuche hatte es bereits 45 Jahre zuvor gegeben. Heute wäre Verne wahrscheinlich enttäuscht, denn diese Technologie spaltet noch immer das Lager der Experten: Die einen sehen eine rosige Energiezukunft, die andern halten das Ganze für eine Schnapsidee. Von alledem unbeeindruckt sind einige Pioniere ans Werk gegangen und bieten erste Lösungen. Es war der walisische Jurist und Physiker William Robert Grove, der 1839 das Prinzip der Brennstoffzelle erstmals anwandte. Er umschloss zwei Platinelektroden mit einem unten offenen Glaszylinder und tauchte sie in ein Schwefelsäurebad. Der eine Glaszylinder war mit Wasserstoff gefüllt, der andere mit Sauerstoff; die Schwefelsäure diente als Elektrolyt und Ionenleiter. An den Elektroden konnte er dann eine Spannung messen. Er realisierte damit das Wirkungsprinzip der kontrollierten elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser und konnte so die Gültigkeit der von Galvani im Jahre 1780 aufgestellen Theorie der elektro-chemischen Umwandlung im Experiment nachweisen. Es dauerte aber noch über 60 Jahre bis mit der so genannten Nernst-Lampe, die einen Pavillion der „Allgemeinen Electrizitäts Gesellschaft“ (AEG) auf der Weltausstellung 1900 beleuchtete, eine erste sinnvolle Anwendung gelang. Professor Walther Nernst hatte im Jahre 1897 in Göttingen - bei seinen Versuchen ein neues System der elektrischen Glühlichtbeleuchtung zu erfinden - in einer Lampe ein yttriumdotiertes Zirkoniumdioxid als Elektrolyt eingesetzt. Diese „Nernst-Masse“ bildet noch heute die Basis für Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC). Nach abermals mehr als 60 Jahren gelang es der Brennstoffzellentechnik dann endlich, erste bedeutende Anwendungsgebiete zu gewinnen: beispielsweise in der Raumfahrt, wo Alkaline Fuel Cells (AFC) beim Apollo-Programm der NASA oder auch auch bei fast 90 Space-Shuttle-Flügen als kompakte und leistungsstarke Energiequellen zum Einsatz kamen; oder - ebenfalls als AFC - zur Versorgung von Umsetzerstationen für Fernsehsender, die Siemens und Varta Ende der 1960er Jahre bauten. Seit die Brennstoffzellentechnologie auch mit Sicht auf den zivilen Gebrauch intensiv erforscht wird, werden weitere Anwendungsmöglichkeiten erkennbar. So lassen sich mit Brennstoffzellen sowohl Wärme als auch Elektrizität erzeugen, was sie besonders für die Versorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie in Gewerbegebäuden interessant macht. In diesem Marktsegment bieten sie nach Meinung der Fachwelt dem Verbraucher eine Reihe von Vorteilen: · Eine Brennstoffzellenanlage, betrieben als stationäre Kraft-Wärmekopplungs-Anlage (KWK), kann die Energie des Brennstoffs optimal nutzen. Da Strom und Wärme gleichzeitig erzeugt werden, lassen sich Energieressourcen besser nutzen. · Niedrige Emissionen von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid, praktisch keine Stickoxide sowie ein wegen der hohen Effizienz geringer Ausstoß des Treibhausgases Kohlendioxid sprechen aus Aspekten des Umweltschutzes für diese Technik. · Energie wird besser eingesetzt und verteilt. Strom und Wärme werden dezentral mit geringstmöglichen Verlusten erzeugt. Eine Vielzahl von Geräten können zu einem virtuellen Kraftwerk zusammengeschaltet werden. Ein solcher Netzverbund kann in Zukunft Großkraftwerke ergänzen. Aufbau und Funktion einer Brennstoffzelle Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung zur direkten Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Als Nebenprodukt entsteht Wasser. Die bei der Energieumwandlung entstehende Wärme lässt sich zur Kraft-Wärme-Kopplung nutzen. Eine Brennstoffzelle besteht aus (Bild ): · zwei getrennten Kammern für den Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) und für den Sauerstoff (Luft); · aus einem Elektrolyten, der die Kammern gasdicht voneinander trennt, um den direkten Kontakt von Sauerstoff und Wasserstoff zu vermeiden; · aus Anode und Kathode, die porös ausgeführt sind, um eine möglichst große Oberfläche zu erreichen; · aus Vorrichtungen zur Abführung von Wasser und von nicht genutztem Brennstoff und Sauerstoff. Das Funktionsprinzip sieht folgendermaßen aus: Die mit der Anode bestückte Kammer ist mit Wasserstoff gefüllt, die kathodenseitige mit Sauerstoff. An der mit Katalysatoren beschichteten Anode teilen sich die Wasserstoffmoleküle in ihre zwei Wasserstoffatome auf. Jedes Atom gibt ein Elektron ab, das über einen elektrischen Leiter zur Kathode wandert. Es fließt ein elektrischer Strom, der sich Brennstoffzellen - auch für die Hausenergieversorgung Angesichts steigender Energiepreise, drohender Klimaveränderung und eines wachsenden Umweltbewusstseins rückt die Brennstoffzellentechnik immer häufiger als alternative Energieversorgung in den Blickpunkt. Grund genug für Fachbetriebe der Gebäudetechnik, sich mit den Grundlagen und Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie vertraut zu machen. Die Brennstoffzelle basiert auf einem elektrochemischen Prozess, bei dem Wärme und Strom entstehen. Quelle: Initiative Brennstoffzelle EP-0606-476-481 16.05.2006 14:41 Uhr Seite 476 nutzen lässt. Zurück bleiben positiv geladene Wasserstoffionen (H+). Auf der Kathodenseite teilen sich Sauerstoffmoleküle unter Einfluss von Katalysatoren in ihre zwei Sauerstoffatome auf. Diese nehmen dann jeweils zwei Elektronen auf, wodurch negativ geladene Sauerstoffionen entstehen. Die Wasserstoffionen (H+) wandern von der Anodenseite durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite. Dort vereinigen sie sich mit den negativ geladenen Sauerstoffionen (O2-) zu Wasser. Bei der konventionellen Energieerzeugung bzw. -umwandlung, die in Wärmekraftwerken über mehrere Stufen abläuft, wird die chemische Energie des Brennstoffs zunächst durch Verbrennung in thermische Energie umgewandelt. Durch den Betrieb eines Motors oder einer Turbine wird aus dieser thermischen Energie mechanische Energie gewonnen, die schließlich zum Antrieb eines Generators und somit zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt wird. Eine Brennstoffzelle dagegen ermöglicht die direkte Umwandlung der chemisch gebundenen Energie des Brennstoffs in elektrische Energie. Der Umweg über die thermische und mechanische Energie entfällt also, was zur Folge hat, dass der elektrische Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle erheblich höher ist als der herkömmlicher Aggregate. Die maximale elektrische Nennspannung einer einzelnen Zelle liegt zwischen 0,9 und 1,1 V. Sie ist abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Gases und sinkt im Betriebszustand auf etwa 0,7 V. Für technische Anwendungen mit höheren Spannungen müssen daher mehrere solcher Einzelzellen (bis zu 500) in Reihe geschaltet werden. Sie wachsen dabei zu Stapeln (englisch „Stacks“). Die Zufuhr von Luft und Wasserstoff zu den Elektroden sowie die elektrotechnische Verschaltung eines Stacks erfolgt über so genannte bipolare Platten, die zwischen den einzelnen Zellen eingebettet sind. Um die elektrische Energie in ein herkömmliches elektrisches Versorgungsnetz einspeisen zu können, muss die an der Brennstoffzelle anliegende Gleichspannung mithilfe eines Wechselrichters in Wechselspannung umgerichtet werden. Aber auch die thermische Energie lässt sich nutzen, abgesehen davon, dass sie ohnehin abgeführt werden muss, um den Betrieb der Brennstoffzelle aufrecht zu erhalten. Die anstehende Wärme kann beispielsweise dazu verwendet werden, Räume oder komplette Häuser zu beheizen. In einem solchen Anwendungsfall wäre eine Brennstoffanlage eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative zu einem motorisch betriebenen BHKW. Mögliche Brennstoffe Eine Brennstoffzelle benötigt zum Betrieb reinen Wasserstoff, der auf der Erde in praktisch unbegrenzten Mengen vorhanden ist, allerdings fast ausschließlich in chemischen Verbindungen wie beispielsweise in Wasser, Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffen. Für die Verwendung in einer Brennstoffzellenanlage muss Wasserstoff also zunächst aus diesen Verbindungen herausgelöst werden. Das geschieht durch Elektrolyse oder über einen so genannten Reformierungsprozess. Neuartige Entwicklungen wie die Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) lassen sich direkt mit Methanol betreiben. 3.1 Wasserstoff aus Wasser Brennstoffzellen, die mit aus Wasser generiertem Wasserstoff betrieben werden, emittieren keine schädlichen Substanzen wie CO2, NOX oder SOX. Die einzige entstehende Emission ist chemisch reines Wasser. Das ist der große Vorteil. Dem steht der Nachteil gegenüber, dass für die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser ein sehr hoher Energieaufwand erforderlich ist. Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 6 477 Energieversorgung FÜR DIE PRAXIS EP-0606-476-481 16.05.2006 14:41 Uhr Seite 477 3.2. Wasserstoff aus Erdgas Beim Einsatz von Erdgas wird in einem Reformer mithilfe von katalytischen und thermischen Verfahren aus dem Erdgas wasserstoffreiches Prozessgas erzeugt. Der Vorteil liegt darin, dass der Betreiber vorhandene Versorgungsstrukturen nutzen kann. Doch es gibt auch einige Nachteile: Die Reformierung ist mit einem erheblichen CO2-Ausstoß verbunden; der Ferntransport von Erdgas führt zu nicht unerheblichen Leckageverlusten, die ihrerseits zu Methanemissionen führen; die für den Gasdruck sorgenden Kompressoren verurachen CO2-und NOx-Emissionen. 3.3 Wasserstoff aus Methanol Für die Versorgung von Kraftfahrzeugen mit Wasserstoff wären unverhältnismäßig große Speichertanks oder eine aufwändige Verflüssigung des Wasserstoffs erforderlich. Deshalb favorisiert die Automobilindustrie die Verwendung von Methanol. Auch hier sind Vor- und Nachteile zu nennen. Vorteile: Methanol ist flüssig, lässt sich leicht transportieren und lagern und besitzt eine hohe Energiedichte; Methanol kann unter Verwendung von Kohle, Abfällen, Klärschlamm, Holz, Plastikresten und sogar Seetang erzeugt werden; der Markt bietet neuerdings Brennstoffzellen, die sich direkt mit Methanol betreiben lassen (DMFC), so dass ein Reformierungsprozess überflüssig ist. Nachteile: Um die Reaktion in Gang zu halten, wird viel teures Katalysatormaterial benötigt; die Leistungsdichte von Methanol ist im Vergleich zu den mit Wasserstoff arbeitenden PEM-Systemen gering; Methanol ist giftig und deshalb aufwändig in der Handhabung. 3.4 Wasserstoff aus sonstigen Verbindungen Neben den genannten gibt es weitere Kohlenwasserstoffe, aus denen über einen Reformierungsprozess Wasserstoff gewonnen werden kann. Zu nennen wären: · Industriesynthesegase müssen für die Verwendung in Brennstoffzellen sorgfältig gereinigt werden; Einsatz verfahrenstechnisch und energetisch sehr aufwändig. · Biogas: Oberbegriff für Faul- und Klärgase, Deponiegase und bei der Vergasung organischen Materials anfallende Gase; müssen aufgrund der wechselnden Zusammensetzung aufbereitet werden, um schwefelhaltige Verunreinigungen zurückzuhalten. · Kohle muss in einem aufwändigen Verfahren zu Synthesegas umgewandelt werden · Benzin- oder Dieselkraftstoffe sind nicht ohne Probleme zu verwenden; Tauglichkeit wird zurzeit noch untersucht. Anwendungen Im Laufe der Entwicklungsarbeiten sind unterschiedliche Brennstoffzellentypen entstanden. Sie unterscheiden sich hinsichtlich des verwendeten Elektrolyten, der Betriebstemperatur (abhängig vom Elektrolyten), des modularen Aufbaus und ihrer Anforderungen an den Brennstoff. Das oben geschilderte Grundprinzip der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser und der damit einhergehenden Energieumwandlung gilt jedoch für alle Bauarten gleichermaßen. 4.1 Brennstoffzellen für mobile und tragbare Anwendungen Brennstoffzellen lassen sich analog zu ihrer Verwendung in drei Gruppen aufteilen. So gibt es Zellen für den mobilen, für den tragbaren und für den stationären Einsatz. Brennstoffzellen für den mobilen Einsatz finden sich beispielsweise in Bussen und Personenkraftwagen. Allerdings werden die Automobilhersteller auch weiterhin noch viel Zeit und Geld investieren müssen, bevor sie Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb in Großserien auf den Markt bringen können. Ein erhebliches Potential bietet die Brennstoffzelle als Energiequelle in tragbaren Anwendungen. Experten gehen davon aus, dass sie sich noch im Lauf dieses Jahrzehnts einen nennenswerten Marktanteil wird sichern können. Als Ersatz für Akkus hat sie einen großen Vorteil: Sie ist unabhängig vom Stromnetz und hat eine beliebig lange Laufzeit - eine kontinuierliche Versorgung mit Brennstoff vorausgesetzt. 4.2 Brennstoffzellen für stationäre Anwendungen Für viele Gebäude wie Wohn- und Bürohäuser sowie Gewerbebauten empfiehlt sich der Einsatz von Energieversorgungsanlagen, die neben elektrischer gleichzeitig thermische Energie liefern wie beispielsweise Blockheizkraftwerke (BHKW). Aber auch Brennstoffzellen sind als stationäre Strom- und Wärmeversorgungsanlagen eine interessante Alternative und könnten in Zukunft motorbetriebene BHKW ersetzen, denen sie im Wirkungsgrad und im Hinblick auf Schadstoffemissionen überlegen sind. Brennstoffzellentypen Man unterscheidet heute sechs Typen von Brennstoffzellen: AFC, PEMFC, DMFC, PAFC, MCFC und SOFC. Die Buchstaben FC stehen für den englischen Begriff „Fuel Cell“ (Brennstoffzelle). Die vorhergehenden Buchstaben Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 6 478 FÜR DIE PRAXIS Energieversorgung Aufbau einer PEMFC Quelle: Viessmann Wasserstoff - Emissionen, Sicherheit, Normung Der Verbrauch von Wasserstoff ist mit geringen oder gar keinen Emissionen verbunden. Er verbrennt zu Wasser, aus dem er im Prinzip wieder gewonnen werden kann; somit geht er nicht verloren und ist ein dauerhaft verfügbarer Energieträger. In Verbrennungskraftmaschinen entstehen im Luftbetrieb geringe Mengen an Stickoxiden. Bei der Brennstoffzelle mit ihrer niedrigeren Betriebstemperatur entfällt auch dieses Problem. Emissionen entstehen hier allenfalls durch periphere Komponenten. Der sichere Umgang mit Wasserstoff ist in industriellen Anwendungen seit langer Zeit Stand der Technik. Auch der Transport auf Straße, Schiene und Wasser oder durch Pipelines wirft keine grundsätzlichen Probleme auf. Wasserstoff fällt als komprimiertes oder tiefkalt verflüssigtes brennbares Gas unter die entsprechenden einschlägigen Regelwerke. Besondere Gefahren gehen nicht von ihm aus, so dass es in Deutschland gar kein wasserstoffspezifisches Regelwerk gibt. Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband (DWV) EP-0606-476-481 16.05.2006 14:41 Uhr Seite 478 sind Abkürzungen für den jeweils verwendeten Elektrolyten, der zwischen Anode (Wasserstoff) und Kathode (Sauerstoff) die chemische Energieumwandlung zu Strom besorgt. Sie unterscheiden sich darüber hinaus auch in Hinblick auf Wirkungsgrad, Betriebstemperatur, Brennstoffversorgung und mögliche Anwendungsbereiche. 5.1 Alkalische Brennstoffzelle (AFC) Der Elektrolyt der AFC besteht aus konzentrierter Kalilauge, in der OH--Ionen von Kathode zur Anode wandern. Damit verbunden ist eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Kohlendioxid (CO2). Die AFC stellt also äußerst hohe Ansprüche an die Reinheit des zugeführten Wasserstoffs und Sauerstoffs. Sie hat bei einer Betriebstemperatur von unter 100 °C einen Wirkungsgrad von etwa 60 %. Trotzdem beschränkt sich ihr Einsatz auf ausgesuchte Zwecke, bei denen die Kosten keine große Rolle spielen wie in der Raumfahrt, beim Antrieb von U-Booten oder anderen militärischen Anwendungen. 5.2 Polymermembran-Brennstoffzelle (PEMFC) Die PEMFC enthält als Elektrolyten eine hauchdünne Kunststoffmembran (Bild ). Bei der elektrochemischen Reaktion im Stack wandern H+-Ionen von der Anode durch die Membran zur Kathode. Da schon geringe Mengen von Kohlenmonoxid die Leistungsfähigkeit der Zelle beeinträchtigen, ist ein großer technischer Aufwand für die Reformierung des Erdgases erforderlich. Der elektrische Wirkungsgrad erreicht annähernd 60 %; die Betriebstemperatur liegt zwischen 70 und 90 °C. Das erlaubt die Auskopplung von Nutzwärme und damit den Einsatz als Blockheizkraftwerk (BHKW) zur dezentralen Energieversorgung im kleinen und mittleren Leistungsbereich. Der Reformierprozess nimmt einige Zeit in Anspruch; erst danach ist die Anlage betriebsbereit. Mit Erdgas betriebene PEMFC eignen sich deshalb in der Praxis nur für stationäre Anlagen mit kontinuierlichem Betrieb, wie er beispielsweise bei einer Hausenergieversorgung gegeben ist. Wird eine PEMFC jedoch direkt mit Wasserstoff betrieben, ist sie sekundenschnell verfügbar und gilt dann als aussichtsreiche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere mobile Anwendungen, zumal sie mühelos schnellen Lastwechseln folgen kann. 5.3 Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) Die DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) ist eine Weiterentwicklung der PEMFC. Sie lässt sich direkt mit flüssigem Methanol (80 bis 90 °C) oder Methanoldampf (120 bis 130 °C) betreiben; an der Kathode wird Luft verwendet. Vorteile sind das geringere Gewicht, das schnellere Ansprechverhalten mit besserer Dynamik sowie geringere Investitions- und Betriebskosten. Wegen des geringeren Gewichts dürfte die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle besonders für Fahrzeugantriebe interessant werden. Dazu passt, dass sich bei der DMFC im Prinzip auch Benzin als Wasserstofflieferant eignet. Eine separate Methanolzapfsäule an den Tankstellen für Brennstoffzellenautos würde dadurch überflüssig. Doch leider sind die zurzeit erreichbaren Leistungsdichten noch relativ gering. Deshalb kommt die DMFC vorläufig nur für solche Anwendungen in Frage, bei denen kontinuierlich eine geringe Leistung benötigt wird. Sie könnte beispielsweise Akkus und Batterien in Handys oder Notebooks ersetzen. Der Vorteil: Wenn der Strom in der Zelle nachlässt, wird sie einfach durch Nachfüllen von Methanol wieder vollgetankt. 5.4 Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) Die PAFC wird mit Erdgas und Luft betrieben. Das Erdgas wird durch Reformierung zu einem Prozessgas mit etwa 80 % Wasserstoff aufbereitet. Die Betriebstemperatur liegt zwischen 160 und 220 °C. Die PAFC ist im Hinblick auf Verunreinigungen weniger empfindlich als andere Brennstoffzellen. Sie verträgt kleinere Mengen an Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Stickstoff, ohne dass ihre Leistung vorzeitig nachlassen würde. Der relativ niedrige elektrische Wirkungsgrad von etwa 42 % lässt sich auf bis zu 80 % steigern, wenn die PAFC als Blockheizkraftwerk eingesetzt wird. Die PAFC ist derzeit die einzige kommerziell verfügbare Brennstoffzelle. Schon seit längerem sind PAFC-Blockheizkraftwerke mit einer Leistung von 200 kWel und 220 kWth serienmäßig lieferbar. Sie sind aber noch zu teuer, um mit konventionellen Kraft-Wärme-Konzepten konkurrieren zu können. 5.5 Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) Die MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) arbeitet mit einem Elektrolyten aus einer Mischung von Kalium- und Lithiumkarbonat, die bei etwa 480 °C schmilzt. Diese alkalische Karbonatschmelze wirkt stark korrosiv und stellt von daher sehr hohe Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Ein weiteres Problem ist die mögliche vorzeitige Auflösung der Kathode. Die MCFC kann mit Erdgas und Sondergasen betrieben werden. Ein separater externer Reformer ist nicht notwendig, da die Betriebstemperatur von 650 °C eine zellinterne Reformierung erlaubt. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 50 %, lässt sich aber auf bis zu 65 % erhöhen, wenn die etwa 550 °C heiße Abwärme über eine nachgeschaltete Dampfturbine zur Stromerzeugung genutzt wird. 5.6 Oxydkeramische Brennstoffzelle (SOFC) Die SOFC besitzt einen festen keramischen Elektrolyten, der nur für Sauerstoffionen durchlässig ist. Mit einer Betriebstemperatur bis zu 1000 °C kann auch sie das Erdgas zell-Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 6 479 EP-0606-476-481 16.05.2006 14:41 Uhr Seite 479 intern zu Wasserstoff reformieren. Der elektrische Wirkungsgrad erreicht Werte zwischen 55 und 70 %, vorausgesetzt, die Abwärme betreibt ein nachgeschaltetes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk. Besonders die extrem hohen Betriebstemperaturen stellen eine besondere technische Herausforderung dar. Das Forschungszentrum Jülich hat nun einen neuartigen SOFC-Zellenaufbau entwickelt, der eine Absenkung der Betriebstemperatur um 200 °C ermöglicht, was große Vorteile mit sich bringt. Diese neue Zelle liefert nicht nur die sechsfache Menge an Strom, sondern verringert auch in hohem Maße die Herstellungskosten, da Wärmetauscher für Temperaturen von 1000 °C unverhältnismäßig teurer sind als solche für 800 °C. Hausenergiesysteme mit Brennstoffzellen Mit Brennstoffzellen-Heizgeräten könnte sich die Energieversorgung von Gebäuden grundlegend verändern. Ausgeführt als kompakte „Brennstoffzellen-Hausenergiezentralen“ (Bild ) würden sie den Grundbedarf an Strom und Wärme in Haushalten, Büros und anderen Einrichtungen decken - rationell und emissionsarm. Mehrere Prototypen haben ihre grundsätzliche Praxistauglichkeit bereits bewiesen. Es sind aber noch einige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu erledigen - nicht zuletzt mit dem Ziel, die Kosten auf ein konkurrenzfähiges Niveau von deutlich unter 1.500 /kWel zu senken. Die Mehrzahl der Fachleute erwartet eine Markteinführung nicht vor Ende dieses Jahrzehnts. Gleichzeitig gehen sie davon aus, dass Brennstoffzellen-Heizgeräte kleiner Leistung in naher Zukunft die konventionelle Heiztechnik und Stromversorgung im häuslichen Bereich nicht gänzlich verdrängen, sondern ergänzen werden. Die Mehrzahl der Hersteller (beispielsweise Viessmann, Vaillant, European Fuel Cells, RWE/Buderus) setzt beim Bau von Brennstoffzellenheizgeräten auf die PEM-Technologie. Die PEM-Brennstoffzelle ermöglicht wegen ihrer hohen Leistungsdichte eine kompakte Bauweise, die dem Einsatz in Wohn-, Büro-und kleinen Gewerbegebäuden entgegen kommt. Betrieben wird sie mit Wasserstoff und Luft, wobei der Wasserstoff mithilfe eines Reformers aus Erdgas gewonnen wird. Ein Brennstoffzellen-Heizgerät benötigt also eine Gasversorgung, die in vielen Fällen ohne Probleme installiert werden kann, wenn sie nicht bereits vorhanden ist. Es arbeitet mit einer Dauerbetriebstemperatur von rund 90 °C. Ein Wechselrichter wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Die freigesetzte Wärme wird an das Kühlsystem des Brennstoffzellen-Stacks abgegeben und von dort an den Heizkreislauf übertragen. In der Brennstoffzelle nicht umgesetztes Prozessgas strömt als Restgas in den Reformerbrenner zurück und verbrennt dort mit zugeführter Luft. Außerdem bildet sich im Stack das Kathodenabgas, das als feuchte Abluft abgeleitet wird. Die Schweizer Firma Sulzer Hexis geht einen anderen Weg und vertraut auf die SOFC. Im Hinblick auf Marktreife und Wirkungsgrade stehen sich SO- und PEM-Brennstoffzellen in nichts nach. Ein wichtiger Bestandteil einer mit Brennstoffzellen betriebenen Heizungsanlage ist die elektrische Steuerungs- und Regelungstechnik, die nach unterschiedlichen Zielvorgaben arbeiten kann: Eine wärmegeführte Regelung orientiert sich am Wärmebedarf des Gebäudes, eine stromgeführte dagegen am Strombedarf. Außerdem kommt noch die netzgeführte Regelung in Frage, bei der ein (meist regional tätiger) Netzbetreiber die Brennstoffzellen-Anlage nach bestimmten Anforderungen regeln kann. Das wäre dann sinnvoll, wenn die Anlage in eine übergeordnete elektrische Energieversorgung eingebunden werden soll. Die Möglichkeiten einer solchen Konzeption werden zurzeit in einem europäischen Projekt mit dem Namen „Virtuelles Kraftwerk“ (Virtual Fuel Cell Power Plant) erprobt. Hier ergeben sich völlig neue Möglichkeiten zu einer dezentralen Energieversorgung. Ein serienreifes Brennstoffzellen-Heizgerät für die Hausenergieversorgung wird von den Abmessungen her den herkömmlichen Heizgeräten ähnlich sein. Das gilt für die PEM- und SO-Technik gleichermaßen. Es wird an das vorhandene Gas- und Niederspannungsnetz angeschlossen. Bei eventuellem Zusatzbedarf steht also jederzeit zusätzliche Elektroenergie zur Verfügung; andrerseits kann überschüssige Energie in das öffentliche Netz eingespeist werden. Einen erhöhten Wärmebedarf an besonders kalten Tagen deckt ein zusätzlicher Spitzenlastkessel ab. Die Leistungen der bisher getesteten Prototypen bewegen sich in der Größenordnung von 1 bis 4,6 kWel und 1,4 kWth bis 11 kWth. Chancen für das Handwerk Auch wenn Brennstoffzellen erst gegen Ende des Jahrzehnts in größerer Zahl in Kellern Einzug halten dürften, sollten sich die Handwerksbetriebe schon jetzt damit befassen, wenn sie von der neuen Technologie profitieren wollen. „Das Handwerk muss sich frühzeitig mit der Brennstoffzellentechnologie befassen“, forderte das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) in Karlsruhe Ende des vergangenen Jahres in einer Presseerklärung. Andernfalls drohe der Verlust von Arbeitsplätzen. Es bestehe die Gefahr, „dass die Energieversorgungsunternehmen den Handwerksbetrieben die Butter vom Brot nehmen.“ Das Fraunhofer ISI untersucht gemeinsam mit dem Heinz-Piest-Institut für Handwerkstechnik an der Universität Hannover und der L-B-Systemtechnik Gmb H in Ottobrunn, welche Konsequenzen die Einführung der neuen Technologie für das Handwerk haben. Eine Möglichkeit, an dem neuen Markt zu partizipieren, ist nach Meinung des ISI das Contracting, das von Energieversorgern schon heute bei modernen Kraft-Wärmekopplungsanlagen praktiziert wird. Für das Handwerk sind solche Modelle zwar noch neu und nur zu realisieren, wenn sich die Betriebe zu Konsortien zusammenschließen oder mit großen Contractoren zusammenarbeiten. Damit sollte die Branche aber nicht bis zur Einführung der Brennstoffzellentechnolgie warten. Ausblick Die immer weiter steigenden Emissionen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2) führen zu einer Klimaveränderung, die immer deutlicher zu Tage tritt und dauerhafte negative Folgen nach sich zu ziehen droht. Deshalb ist es notwendig, die vorhandenen Energiequellen besser zu nutzen und neue regenerative zu erschließen. Einen Weg dahin bietet die Brennstoffzelle, deren Grundlagen schon seit mehr als 160 Jahren bekannt sind. Das Bestechende an der Brennstoffzelle ist die große Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten. Sie reicht vom Einsatz als Energieversorgung von Autos und Schiffen sowie Taschenlampen Laptops, Kameras oder Rekordern bis zum Aufbau eines kompletten Blockheizkraftwerks. Als stationäres Heizgerät für die Hausenergieversorgung befindet sie sich seit längerem in der Erprobungsphase; die Marktreife wird bis zum Ende des Jahrzehnts erwartet. Von entscheidender Bedeutung für den Erfolg dieser neuen Technik wird es sein, dass es ihr gelingt, die gestellten Anforderungen zu erfüllen und die Kosten auf ein wettbewerbsfähiges Niveau zu senken. Dann wird die Brennstoffzelle ihren Weg machen und in absehbarer Zukunft zu einer effizienteren und umweltverträglicheren Energiewandlung beitragen. Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 6 480 FÜR DIE PRAXIS Energieversorgung BZ-Hausenergiezentrale Foto: Viessmann EP-0606-476-481 16.05.2006 14:41 Uhr Seite 480
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