Antriebe und Steuerungen

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause,

Energieversorgung mit Brennstoffzellen BZ

Die BZ (FC Fuel Cell) als einer der effizientesten Elektro-Energie-Erzeuger aus primären Energieträgern (vgl. http://www.gruenbuch-energieeffizienz.de) verspricht zusammen mit Wind, Wasser, Sonne die Energiewirtschaft zu revolutionieren. Mit dieser wirtschaftlichen Energiewandlung verbinden sich hohe Erwartungen an die Minderung des Ausstoßes von Treibhausgasen sowie an die Schonung begrenzter Energieressourcen.

Brennstoffzelle BZ (FC) Prinzipaufbau. © Krause

Die BZ – seit 1839 durch den Engländer Sir William Robert Grove (1811–1896) bekannt – zählt zu den elektrochemischen Energiequellen (Tabelle 1). Im Gegensatz zur Batterie liefert sie ohne Nachladung ununterbrochen Strom, sofern sie kontinuierlich chemischen „Brennstoff“ erhält. Ihre Nutzungsdauer ist unbegrenzt. Wegen der hohen erreichbaren Leistung, infolge ihrer Energieeffizienz (kein Carnot-Prozess) und Umweltfreundlichkeit fällt den BZ`n eine Schlüsselrolle für das Versorgen stationärer und mobiler Verbraucher mit Elektroenergie zu. Dezentrale, umweltfreundliche Bereitstellung von Strom und Wärme aus einer einzigen Anlage (BHKW) sowie Elektromobilität rücken in wirtschaftliche Nähe.

Funktionsprinzip
Energieerzeugung mit der BZ als Umkehrung der Elektrolyse verwandelt gasförmige oder vergasbare Brennstoffe in kalter Verbrennung unmittelbar in Gleichstrom. Nicht Wasser wird in seine gasförmigen Bestandteile Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 zerlegt, sondern die BZ verarbeitet beide Stoffe zu Wasser. Dabei wird den Brennstoffen (z. B. H2 und O2) elektrische Energie bei gleichzeitiger, exothermer Abgabe von Wärme entnommen. Im Redoxvorgang wird H2 zu Wasser H2O oxidiert bzw. kalt verbrannt.

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2 H2(Gas) + O2(Gas) = 2 H2O(Flüssigkeit/Dampf)

Wirkungsgrade im Vergleich (Prinzipverläufe). © Krause

Um eine normale Verbrennung oder eine Knallgasreaktion zu vermeiden, dürfen H2 und O2 nicht direkt zusammentreffen. Deshalb werden die porösen Elektroden durch einen Elektrolyten (z. B. Kalium- oder Natrium-Lauge) voneinander getrennt. An der Anode wird H2 oxidiert, positive H2-Ionen bilden sich. Die Kathode sorgt für die O2-Reduktion, negative O2-Ionen entstehen. Beide Vorgänge benötigen Katalysatoren (Metalle der Platin-Eisen-Gruppe), mit denen die gasdurchlässigen Elektroden beschichtet sind. Die unterschiedliche Polarität zwischen ihnen führt zur Gleichspannung DC. Sie lässt sich nutzen, sobald beide Pole ein Stromkreis verbindet.

Die Zell-/Leerlaufspannung U0 ≈ 1,2 V sinkt bei Belastung (Nebenschlusskennlinie). Als optimaler Betriebspunkt erweist sich für die einzelne Zelle eine Spannung zwischen ca. 0,6 bis 0,7 V. Um aber höhere Spannungen und Leistungen zu erzielen, werden Zellen in Reihe und parallel geschaltet. Den entstehenden Stapel (stack, bis zu > 800 Zellen) nimmt ein Behälter auf.

Theoretisch gibt die BZ die Menge elektrischer Energie wieder ab, die beim Elektrolysevorgang notwendig war und im H2 gespeichert wurde. Damit steht ein Speicher elektrischer Energie erheblicher Kapazität bereit. O2 kommt ohne Pufferung aus, da die Mehrzahl der BZ mit Luft funktioniert.

Tabelle 1: Elektrochemische Energiequellen

BZ vs. klassische Energieerzeugung
In der BZ entfällt die klassische, verlustbehaftete Mehrfachenergiewandlung. Deshalb lassen sich Wirkungsgrade η > 65 % erreichen (zum Vergleich: Dampfkraftwerke ≤ 50 %, GuD-Anlagen > 60 %. Gasturbinen und Diesel-Gasmotoren ca. 35 %). Zudem sind konventionelle Erzeuger an im MW-Bereich liegende Mindestleistungswerte gebunden.

Als weiterer Vorteil zählt die Nutzung ihrer Abwärme (Ausnutzungsgrad der Primärenergie bis 90 %). Außerdem ist der thermodynamische Wirkungsgrad bei niedrigen Betriebstemperaturen am höchsten, im Teillastbereich bleibt er etwa konstant.

Brennstoffe und BZ-Typen
Neben den Energieträgern H2 und O2, die in ihrer Reinstform höchste Wirkungsgrade zulassen, eignen sich Methanol, Erd-, Kohle-, Biogas, als Oxydant auch Luft. Der Prozess benötigt immer abhängig vom BZ-Typ unterschiedliche Katalysatoren.

Tabelle 2: BZ-Typen KW Kraftwerk

Die verschiedenen Typen unterscheiden sich neben verwendetem Elektrolyten nach Betriebstemperatur sowie Brennstoff. Drei Betriebstemperaturbereiche existieren: niedrig (60–90 °C AFC, PEMFC), mittel (160–220 °C PAFC), hoch (600–1000 °C MCFC, SOFC) (Tabelle 2).

Realisierungen
Der Reifegrad von BZ`n erlaubt inzwischen kommerziell interessante Projekte (Tabelle 2). Noch dienen sie überwiegend Test- und Demonstrationszwecken. Kern ist die Bereitstellung des Energiespeichers Wasserstoff H2. Da er in der Natur nicht frei verfügbar ist, muss er erzeugt werden. Anfallende H2-Überschüsse der Industrie können ebenso genutzt werden wie die in Schwachlastzeiten verfügbare elektrische Energie.

Ökonomischer und ökologischer Ausblick
Die BZ-Technologie befördert die dezentrale Energieerzeugung mit kleineren, verbrauchernahen Einheiten. Der entfallende Energietransport vom Großkraftwerk ergibt zusätzlich wirtschaftliche Vorteile. Zugleich begünstigt die BZ die E-Mobilität, den gegenwärtig defizitären Aufbau notwendiger Infrastruktur. Sie unterstützt zudem den Trend zu DC. Ihr Einsatz führt zum deutlichen Abbau des Kohlendioxid-Ausstoßes. Dank KWK und höheren Wirkungsgrades ist die ökologische Gesamtbilanz günstiger. BZ`n sind in allen konventionellen Erzeugern hinsichtlich ihrer Umweltwirkung überlegen. Ihre Emissionen erreichen im Vergleich zu den etablierten Technologien (Bezugswert 100 %) deutlich niedrigere (Richt-)Werte: NOx 7 %, COx 20 %, CHx 0 %. Nur Reinst-H2 nutzende BZ sind Nullemissionsanlagen. Deshalb heißt ein wichtiger Teil der Zukunft H2.


Kraft-Wärme-Kopplung KWK
Gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme in einer Anlage. Eine kompakte Kleinanlage heißt Block-HKW (BHKW).

DC-Technik
Erneuerbare Erzeuger (Wind, Sonne mit Akku-Speichern etc.) nehmen ebenso wie DC-Verbraucher zu. Die herkömmliche Netzstruktur AC zwingt zum mehrfachen, verlustbehafteten Wandeln des Stromes. Dadurch sinkt der Gesamtwirkungsgrad der Energieversorgung auf weniger als 60 %. Dagegen käme ein vollständiges DC-Netz (ohne kapazitive Verluste, mit HGÜ) alternativ auf ca. 90 %.

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