Projekt 4

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Zwei Pilotprojekte für Brennstoffzellenheizgeräte
Prof. Dr. Heinz Schmidt-Walter, Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

Brennstoffzellenheizgeräte sind sehr kleine Blockheizkraftwerke, die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen. Die Schweizer Firma Sulzer-Hexis hat ein Heizgerät entwickelt, dass mit einer Oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC) Strom (1 kW) und Wärme (2,5 kW) für ein Einfamilienhaus erzeugt. Die HEAG Südhessische Energie AG (HSE) hat in einem Pilotprojekt für einen Drei-Jahres Test zwei Heizgeräte, eines in Heppenheim und eines in Darmstadt installiert. Das Projekt wir vom Land Hessen gefördert. Die wissenschaftliche Begleitung hat die Hochschule Darmstadt, Fachbereich EuI übernommen. Der FB EuI protokolliert die Messdaten und erstellt jährlich einen wissenschaftlichen Bericht zum Betriebsverlauf. Die Projekte starteten im Mai 2004 (Heppenheim) und im Februar 2005 (Darmstadt). Sie enden im März 2008.

Allgemeines zur Brennstoffzelle

Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Leistung. Man nennt diesen Prozess "kalte Verbrennung". Der Wasserstoff wird zu Wasser oxidiert; dabei entsteht Energie (ebenso viel, wie bei einer Knallgasexplosion). Damit es nicht zu einem direkten (explosiven) Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff kommt, sind Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle mittels eines Elektrolyten räumlich voneinander getrennt. In der sogenannten SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) ist der Elektrolyt so beschaffen, dass Sauerstoff-Ionen ihn passieren können. Elektronen jedoch nicht. Der Sauerstoff wird zunächst auf der Luftseite mittels eines Katalysators in Elektronen und Ionen getrennt. Die Sauerstoff-Ionen wandern durch den Elektrolyten zum Wasserstoff, die Elektronen gelangen über einen elektrischen (galvanischen) Weg zum Wasserstoff. Auf dem elektrischen Weg entsteht ein Spannungspotential, welches, multipliziert mit dem Elektronenstrom, die elektrische Leistung erzeugt. Pro Brennstoffzelle entsteht ca. ein Volt (siehe Abb. 1). Man schaltet mehrere Brennstoffzellen in Reihe zu einem so genannten "Stapel" englisch: "Stack", um höhere Spannungen zu erzeugen. Es sei hier vermerkt, dass der Reaktionsprozess in verschiedenen Brennstoffzellen unterschiedlich sein kann. In der PEMFC beispielsweise leitet der Elektrolyt Wasserstoff-Ionen, sodass das Produktwasser auf der Sauerstoffseite entsteht.

Reaktionen   
Kathode    Reduktion des Luftsauerstoffes
½ O2 + 2e– > 2O–

Anode    Oxidation des Wasserstoffes
H2 + 2O– > H2O + 2e–
CO + 2O– > CO2 + 2e–
CH4 + 4O2– > 2H2O + CO2 + 8e–



Abbildung 1    Prinzip der Brennstoffzelle
Aufbau des Brennstoffzellenstapels, Hexis-Prinzip



Verschiedene Brennstoffzellen

Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen. Sie unterscheiden sich physikalisch durch ihren Elektrolyten. Die unterschiedlichen Elektrolyte geben den Brennstoffzellen ihre Namen. Die "Alkalische Brennstoffzelle" hat eine Kaliumlauge als Elektrolyt, die "PEM-Brennstoffzelle" eine protonenleitfähige Kunststoffmembran (Proton Exchange Membrane) und die "Oxidkeramische Brennstoffzelle" eine feste Zirkonoxidmembran.
Neben ihrer Konstruktion, ist die Betriebstemperatur und die erforderliche Reinheit der zugeführten Gase ein wesentliches Merkmal der verschiedenen Brennstoffzellen. Tabelle 1 gibt einen Überblick.

 

Tabelle 1    Verschiedene Brennstoffzellen


* FC: Fuel Cell



Brennstoffzelle als Brennstoffzellenheizgerät (Blockheizkraftwerk)

Die Brennstoffzelle erzeugt elektrische Leistung und ist damit ein Generator. Die Stromerzeugung läuft mit einem Wirkungsgrad bis zu 70% und ist damit deutlich besser, als Verbrennungsmotoren mit nach gekoppelten elektrischem Generator. Neben dem guten Wirkungsgrad ist die geringe Schadstoffemission und der geringe Geräuschpegel als Vorteile der Brennstoffzellensysteme zu nennen.

Neben der elektrischen Leistung entsteht Wärme, die als Heizwärme an das Warmwassersystem oder die Raumheizung abgegeben wird. Zusätzlich zum Brennstoffzellensystem sorgt ein Zusatzbrenner für die Deckung des zusätzlichen Wärmebedarfs im Winterbetrieb.

Verschiedene Heizungsfirmen engagieren sich zur Zeit in der Brennstoffzellentechnik. Sie konzentrieren sich dabei auf verschiedene Brennstoffzellentypen. Zwei Brennstoffzellentypen etablieren sich zur Zeit als Brennstoffzellenheizgeräte kleiner Leistung: Die PEMFC und die SOFC. Diese beiden Zellen haben sehr unterschiedliche Vor- und Nachteile als Brennstoffzellenheizgerät.

Die PEMFC arbeitet mit einer Betriebstemperatur von 60-80°C, d.h. in einem für Heizungsbauer bekannten und bewährten Temperaturbereich. Auf der anderen Seite benötigt die PEMFC reinen Wasserstoff, der mittels einer vorgelagerten Reformierung aus Erdgas erzeugt werden muss. Die PEMFC reagiert empfindlich auf Verunreinigungen wie Kohlenmonoxid und Schwefel. Sie benötigt einen aufwendig geregelten Betrieb für den Feuchtigkeitshaushalt der Zelle.

Die SOFC arbeitet bei einer Betriebstemperatur von 900°C. Damit verbunden sind sehr hoher Anforderungen an die Materialien. Außerdem sind die mechanischen Spannungen zwischen verschiedenen Materialien erheblich während des Temperaturhochlaufs oder der Abkühlung. Auf der anderen Seite hat die hohe Temperatur den Vorteil, dass die Erdgasreformierung teil des Brennstoffzellensystems ist. Die Zelle reagiert unempfindlicher gegen Verunreinigungen in Wasserstoff und in der Luft.

Die Brennstoffzellen-Heizgeräte in Heppenheim und Darmstadt

In einem Betriebsgebäude der HSE in Heppenheim wurde ein Brennstoffzellenheizgerät der Firma Sulzer-Hexis des Typs "HXS 1000 PREMIERE" im Mai 2004 installiert. Ein zweites Heizgerät gleichen Types wurde im Januar 2005 in einem Mehrfamilienhaus in Darmstadt installiert. Die Systeme sind für den Einsatz mit Erdgas konzipiert. Die Brennstoffzellen sind vom Typ SOFC. Die Brennstoffzellensysteme decken den gesamten Wärmebedarf sowie den Stromgrundbedarf eines Einfamilienhauses ab (Netz-Parallelbetrieb). Sie ersetzten die konventionellen Gasheizgeräte.

Der Zellstapel (Stack) erzeugt eine elektrische Leistung von 1 kW. Die neben Strom anfallende Wärme wird ausgekoppelt, einem Wasserspeicher zugeführt und kann für Heizzwecke oder Brauchwarmwasser verwendet werden. Auf diese Weise wird das Potenzial der Brennstoffzelle zur gleichzeitigen Strom- und Wärmeerzeugung ausgeschöpft. Das Erdgas kann somit effizienter genutzt werden als bei der konventionellen Kombination zentraler Elektrizitätswerke mit dezentraler Hausheizung. Ein modularer Zusatzbrenner schaltet bei höherem Wärmebedarf automatisch zu. Die gesamte Wärmeversorgung eines Eigenheims ist auf diese Weise gewährleistet.



Technische Angaben

Technische Angaben

Leistungsdaten:
Elektrische Leistung    1 kW max.
Thermische Leistung Brennstoffzelle    2,5 kW max
Thermische Leistung Zusatzbrenner    12, 16, 22 kW
Elektrischer Wirkungsgrad (Hu)    25 - 30% (Ziel: >30%)
Gesamtwirkungsgrad (Hu)    ca. 85%
Brennstoffzellentyp    Sulzer Hexis SOFC
Wärmespeicherinhalt    200 l


Brennstoffaufbereitung:
Entschwefelung    Aktivkohle
Reformertyp    Dampfreformierung


Anschlussdaten
Erdgas    (L, H, E), Netzdruck
Elektrischer Anschluss    230 V AC, (13A), 50 Hz


Abmessungen und Gewicht
Breite x Tiefe x Höhe    1080 x 720 x 1800 mm
Platzbedarf    4 m2 (inkl. Serviceraum)
Gesamtgewicht installiert    leer ca. 350 kg
gefüllt ca. 550 kg

 

Zuletzt aktualisiert am Mittwoch, den 12. Januar 2011 um 09:42 Uhr  

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