Das Brennstoffzellen-BHKW (BZ-BHKW)

Im Gegensatz zu Motor-Mini-BHKW, die im Wesentlichen technisch ausgereift sind und serienmäßig hergestellt werden, befinden sich Brennstoffzellen-Mini-BHKW (BZ-Mini-BHKW) noch in der Entwicklung.
Brennstoffzellen (englisch: Fuel Cells, FC) sind elektrochemische Energiewandler, die Wasserstoff mit Sauerstoff zu reinem Wasser umsetzen und dabei Strom und Wärme produzieren. So ist es naheliegend, Brennstoffzellen auch für die Kraft-Wärme-Kopplung einzusetzen. Für Mini-BHKW werden zur Zeit zwei Konzepte mit unterschiedlichen Brennstoff¬zellen-Typen verfolgt: Zum einen der Einsatz von Polymer-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), die mit einer Betriebstemperatur von 70 – 90°C zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen zählen, und zum anderen der Einsatz oxidkeramischer Brennstoffzellen (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), die als Hochtemperatur-Brennstoffzellen bei Betriebstemperaturen von 900 – 1000°C arbeiten.


So funktioniert die Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer Anode, einer Kathode und einem dazwischen liegenden Elektrolyten, der sowohl für Wasserstoff als auch für Sauerstoff undurchlässig ist und so die direkte Knallgas-reaktion zwischen den beiden Brenngasen verhindert. Die verschiedenen Brennstoffzellen-Typen unterscheiden sich hauptsächlich hinsichtlich des eingesetzten Elektrolyten. Daraus ergeben sich einerseits unterschiedliche Betriebstemperaturen, andererseits sind auch die im Einzelnen ablaufenden chemischen Reaktionen und die Anforderungen an die Reinheit der Brenngase unterschiedlich. Das Prinzip der elektrochemischen Stromerzeu¬gung ist für alle Typen von Brennstoffzellen das gleiche:
An der Anode wird kontinuierlich Wasserstoff zugeführt, der dort seine Elektronen abgibt, es entstehen H+-Ionen. Die dabei freigesetzten Elektronen (e-) können den Elektrolyten nicht passieren, sie werden über einen äußeren Leiter zur Kathode geleitet. An der Kathode wird Sauerstoff zugeführt, der mit den ankommenden Elektronen O2--Ionen bildet. Je nach eingesetztem Elektrolyten ist dieser entweder nur für die H+-Ionen (z.B. PEMFC) oder nur für die O2--Ionen (z.B. SOFC) durchlässig. Wandern die H+-Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode, so reagieren sie dort mit den O2--Ionen zu Wassermolekülen (H2O). Wandern hingegen die O2--Ionen zur Anode, so entsteht dort Wasser. Die durch den äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode fließenden Elektronen erzeugen einen elektrischen Gleichstrom, gleichzeitig wird bei der Reaktion Wärme frei.
Eine einzelne Brennstoffzelle stellt eine elektrische Spannung von ca. 0,7 V bereit. Um größere Spannungen zu erzielen, werden mehrere Zellen elektrisch in Serie geschaltet, so dass sich die Spannungen addieren. In der Praxis werden die einzelnen Zellen übereinander gestapelt und bilden einen Zellstapel, den so genannten „Stack“.

Brennstoff-Versorgung


Wird die Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff betrieben, entsteht neben Strom und Wärme lediglich reines Wasser. In diesem Fall ist eine emissionsfreie Strom- und Wärmebereitstellung gegeben. Auf lange Sicht werden Brennstoffzellen – mit ihren vielfältigen Anwendungsbereichen – als Fundament für eine emissionsfreie Wasserstoffwirtschaft angesehen. Allerdings sind die Fragen nach der Herstellung des Wasserstoffs noch nicht geklärt. Diskutiert werden die Elektrolyse von Wasser mittels Solarstrom sowie die Wasserstoffgewinnung aus Biomasse. Auch der Transport und die Verteilung des Wasserstoffs an die Verbraucher ist problematisch, da für Wasserstoff eine komplett neue Infrastruktur aufgebaut werden müsste. Doch schon heute können mit Mini-BHKW auf Basis von Erdgas dezentrale Energieversorgungsstruk¬turen aufgebaut werden, die einen späteren schrittweisen Übergang auf erneuerbaren Wasserstoff möglich machen.
Auch Brennstoffzellen-BHKW können – und werden in nächster Zukunft – mit Erdgas betrieben werden. Für den Betrieb der PEMFC wird aus dem Erdgas, bevor es in die Brennstoffzelle gelangt, in einem vorgeschalteten Reformer Wasser¬stoff gewonnen. Die SOFC mit ihrer hohen Betriebstemperatur erlaubt hingegen auch die interne Reformierung des Erdgases in der Zelle selbst.
Bei der Reformierung entstehen CO2 und geringe Mengen anderer Schadstoffe, außerdem treten Umwandlungsverluste auf und der Energieaufwand für die Erdgasreformierung senkt den Gesamtwirkungsgrad des BHKW. Doch auch, wenn das Brennstoffzellen-Mini-BHKW mit Erdgas betrieben wird, ist es eine interessante Option für die nähere Zukunft. Über¬dies kann die SOFC – nicht jedoch die PEMFC – auch mit Biogas betrieben werden.

 

Eigenschaften

Der wesentliche Vorteil des BZ-Mini-BHKW ist sein hoher elektrischer Wirkungsgrad. Obwohl bei der Reformierung Verluste entstehen, sind Brennstoffzellen auch auf der Basis von Erdgas effizientere Stromerzeuger als Gasmotoren. Für das BHKW-Gesamtsystem wird ein elektrischer Wirkungsgrad von bis zu 40% angestrebt. Der Gesamtwirkungs¬grad wird mit 80% – 90% jedoch eher niedriger als der eines Motor-BHKW sein.

  • Aufgrund des großen elektrischen Wirkungsgrades haben BZ-BHKW größere Stromkennzahlen als Motor-BHKW, d.h. bei gleicher thermischer Leistung wird mehr Strom produziert.
    Es entstehen weniger CO2-Emissionen und keine Stickoxid-Emissionen.
  • Durch das Fehlen beweglicher Teile wird ein geringerer Wartungsaufwand erwartet.
  • Brennstoffzellen sind modular aufgebaut, daher können auch Anlagen mit kleiner elektrischer Leistung realisiert werden, ohne dass der Wirkungsgrad sinkt. Im Teillast-betrieb steigt der elektrische Wirkungsgrad sogar an. Besonders bei weiter abnehmendem Wärmebedarf durch verbesserte Wärmedämmung und Niedrigenergie-Standards ist dieser Aspekt interessant, da Motor-BHKW mit 5 kW elektrischer Leistung dann oft schon zu groß sind.     

 

Abbildung 11: Schematische Darstellung eines Brennstoffzellen-Heizgeräts

 

Stand der Entwicklung

Die oben genannten Eigenschaften des Brennstoffzellen-BHKW sind heute schon technisch realisierbar, allerdings ist bisher noch kein Brennstoffzellen-Mini-BHKW kommerziell auf dem Markt verfügbar. Für beide Typen werden zur Zeit in Versuchsanlagen bzw. Feldtests Erfahrungen im Langzeitbetrieb gesammelt. Das größte technische Problem des PEMFC-BHKW stellt zur Zeit die erforderliche Vereinfachung der Erdgasreformierung dar, die zur Zeit noch zu aufwändig ist, um sie im Heizungskeller durchführen zu können. Dagegen ist die Brennstoffaufbereitung für die SOFC – wegen ihrer hohen Betriebstemperatur – eher unkompliziert, die hohen Temperaturen machen sie aber andererseits materialtech¬nisch äußerst anspruchsvoll.
Das größte Hindernis auf dem Weg zur Marktreife sind jedoch die Herstellungskosten: Diese liegen heute bei deutlich über 10.000 € pro kWel und werden noch erheblich sinken müssen, damit Brennstoffzellen-BHKW mit Motor-BHKW konkurrieren können. Die breite Markteinführung und Serienfertigung in großer Stückzahl wird für beide BZ-BHKW-Typen für 2015 erwartet.

 

Aktuell sind 7 Gäste und keine Mitglieder online

Newsletter

Kostenlos Abonieren