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H2Expo-Umfrage: Einsatzgebiete und Entwicklungsstand von Hochtemperatur-Brennstoffzellen


Hamburg, 21. April 2005 - Um aktuelle Trends bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen geht es in einer Umfrage im Auftrag der H2Expo. Die Internationale Konferenz und Fachmesse für Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologien findet in diesem Jahr am 31. August und 1. September im CCH-Congress Center Hamburg (CCH) statt. Zum fünften Mal treffen sich dort Vertreter aus Industrie, Politik und Forschung zum Austausch über neueste Entwicklungen, Kooperationen und Aufträge.

Einsatzgebiete für Brennstoffzellen

Hochtemperatur-Brennstoffzellen werden in kleinen Kraftwerken, für die Hausenergieversorgung und als Hilfstromaggregate für Fahrzeuge eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur und der langen Aufheizzeit sind sie für tragbare Anwendungen nicht geeignet. Zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen gehören Aggregate mit einem Keramikelektrolyten, zumeist Zirkonoxid, die sogenannten SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), die eine Betriebstemperatur um 900C erreichen, und solche mit einer Karbonatschmelze als Elektrolyt, MCFC genannt (Molten Carbonate Fuel Cell). Beide Typen können Erdgas intern reformieren.

Hausenergieversorgung und Zusatzstromaggregrate

Die Zahl der SOFC-Entwickler ist besonders im Leistungsbereich von 1-30 kW gewachsen. Fortgeschritten ist die Forschung beispielsweise bei Sulzer Hexis in Winterthur. Hier bereitet man für die Energieversorgung von Einfamilienhäusern mit 1 kW elektrischer und 2,5 kW thermischer Leistung ein seriennahes Produkt namens Galileo 1000N vor, das einen elektrischen Wirkungsgrad von über 30 % erreichen soll. Obwohl auch der Reformerbetrieb mit Biogas, Heizöl und Propangas erfolgreich war, konzentriert man sich mittlerweile auf Erdgas. Die wesentliche Herausforderung, so ein Entwickler, sei Lebensdauer der Brennstoffzelle. Für den Stack, der zwischen 850 und 950C betrieben wird, strebe man eine Haltbarkeit von 5-7 Jahren an.

Für einen anderen Anwendungsbereich hat das Forschungszentrum Jülich eine Erdgas-SOFC mit knapp 12 kW elektrischer Leistung entwickelt und knapp ein Jahr dauergetestet. Ursprünglich hatte der Stack ein Temperaturfenster von 900C bis 1.000C. Um leichter und damit kostengünstiger zu bearbeitende Materialien verwenden zu können, wurde die Betriebstemperatur auf 650C bis 750C abgesenkt. Eine weitere Temperaturabsenkung ist zwar erwünscht, trifft jedoch auf physikalische Grenzen, wenn die Keramik ihre Leitfähigkeit verliert. Ergänzend wurde in Jülich ein Dieselreformer für SOFC erprobt. Die Kombination von beiden könnte als Hilfstromaggregat (APU Auxiliary Power Unit) für LkW dienen. Weiterer Entwicklung bedarf eine kerosinbetriebene APU für Flugzeuge. Während moderner Dieselkraftstoff weniger als 10 ppm Schwefel enthält, ist bei Kerosin mit 100 bis 300 ppm Schwefel zu rechnen. Der Reformer benötigt daher eine Entschwefelung, die in Jülich derzeit entwickelt wird. Von Airbus verlautet zu dem Thema, dass man Brennstoffzellensysteme im Flugzeug mit Kerosin anwenden wolle und mit Systemherstellern intensiv daran arbeite.

Mit APU-Anwendungen für Gebäude und Großfahrzeuge beschäftigt sich die EBZ GmbH in Dresden. Das Unternehmen bedient sich zugelieferter Stacks und hat einen Demonstrator mit 1,5 kW elektrischer Leistung fertig gestellt. Der Betrieb mit Flüssiggas wurde erprobt, für den Diesel- und Kerosinbetrieb werden derzeit Reformer entwickelt. EBZ strebt einen Leistungsbereich von 3-50 kW an.

Brennstoffzellen-Kraftwerke

Im Bereich der SOFC-Kraftwerke gilt Siemens als führend. Ein System mit 100 kW elektrischer Leistung wird demnächst nach Turin geliefert, 2005 oder 2006 sollen je eine Anlage nach Hannover und nach Alaska folgen. Die Stackleistung soll dann auf 125 kW angehoben werden. Nach fünf bis zehn weiteren Anlagen wird in drei bis vier Jahren eine Kleinserie avisiert. Der Stack hat bei 950C einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad von 46 % und soll eine Lebensdauer von mindestens 40.000 Stunden erreichen. Für die Leitfähigkeit des Elektrolyten gilt: So heiß wie möglich. Bei der vollkeramischen, metallfreien Konstruktion des Stacks sei die hohe Temperatur kein Problem. Es werde jedoch parallel dazu an einer Temperaturabsenkung geforscht.

Weltweite Entwicklungsbemühungen

Weitere SOFC-Entwicklungen in Europa sind bekannt von der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, dem DLR-Institut für technische Thermodynamik in Stuttgart (Ziel 650-800C), den Unternehmen Haldor Topsoe in Dänemark (Ziele unter 800C, über 200 kW), Elcogen in Estland (Ziele 1-100 kW, Mitteltemperatur) und ALPPS in Österreich (Ziel Diesel-APU 1-50 kW). Die größte Zahl anderer Stack-Entwickler ist in den USA ansässig: Acumentrics (1-10 kW), Analytic Power (Kleinzellen), Ascent (Ziel 20 W30 kW), CellTech (Ziel 1-5 kW, Ceramatec (Ziele 550C, 1-25 kW), Delphi (APU), FuelCell Energy (Ziele 650C, 1-5 kW) und SOFCo-EFS (1-5 kW). Einige der amerikanischen Entwickler werden von der Regierungsinitiative SECA (Solid State Energy Conversion Alliance) unterstützt, die speziell die Baugrößen 310 kW fördert. In Kanada entwickelt Fuel Cell Technologies (5 kW) Keramikzellen und in Australien ist Ceramic Fuel Cells (0,5-200 kW) auf dem Gebiet tätig. Hinzu kommen zahlreiche Universitäten und Institute weltweit. Erkennbar ist bei kleinen SOFC ein Trend zur Mitteltemperatur, das heißt deutlich unter 900C. Einer der Vorteile ist die kürzere Aufheizzeit.

Aufbereitung von unterschiedlichen Brennstoffen

Für Schmelzkarbonatzellen ist die Betriebstemperatur mit 650C bereits ideal. Die Salzschmelze wird bei 490C flüssig und ab etwa 550C beginnt die interne Reformierung von Kohlenwasserstoffen. Diese Reformierung ist besonders für so genannte Bi-Fuel- oder Multi-Fuel-Anlagen erforderlich, bei denen zwischen unterschiedlichen Brennstoffen wie zum Beispiel Erdgas und Biogas gewechselt werden kann. Der amerikanische Hersteller von MCFC, FuelCell Energy (FCE), hat nach eigenen Angaben das Problem der Elektrodenkorrosion, das durch verunreinigte Brennstoffe auftritt, gelöst. Auch an der weiteren Kostenreduktion arbeite man.

Der deutsche Partner von FCE, MTU CFC Solutions in München, verwendet bislang die amerikanischen Stacks als Basis für hiesige Kleinkraftwerke, die unter dem Namen Hot Module bereits an mehreren Standorten erprobt werden. Die Münchner streben an, bald die kompletten Kraftwerke selbst zu bauen. Die Entwicklung eigener MCFC wird voraussichtlich Ende 2005 oder Anfang 2006 vorgestellt. Die Installationen der nächsten drei Hot Modules sind in der Hamburger Hafen City, in Krefeld und in Aalen vorgesehen. Angedacht ist aber auch der Einsatz in Schiffen als besonders leise Stromversorgung.

Die Gemeinde der MCFC-Experten ist weltweit übersichtlich. Bekannt sind Projekte von Ansaldo Fuel Cells in Italien (100 kW, Ziel ab 2006 500 kW), Chubu Electric Power in Japan (300 kW) und GenCell in den USA (40 kW) sowie Forschungen bei etwa zehn Universitäten und Instituten.

(Pressemeldung der H2Expo)

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