Brennstoffzellenanlagen

Die Technologie von Brennstoffzellenanlagen umfasst ein weites Gebiet von unterschiedlichen Fachdisziplinen, dessen vollständige Beherrschung in hohem Maße eine interdisziplinäre Zusammenarbeit erfordert. Deshalb lassen sich für die hier zu lösenden Aufgabenstellungen in der Literatur verschiedene Lösungsansätze als Ergebnisse der Grundlagenforschung aus elektrochemischer oder aus werkstoffkundlicher Sicht finden, die wesentliche Teilaspekte behandeln, aber weniger das Gesamtsystem zu beschreiben vermögen. Vor allem dies ist die wesentliche Aufgabenstellung des vorliegenden Buches. Im Gegensatz zu klassischen Dampfkraftwerken, wo es eine weitgehende Trennung der Systeme zur Verbrennung, zur Dampferzeugung, zum Betrieb der Dampfturbine und zur Stromerzeugung und -ableitung gibt, sind die entsprechenden Prozesse bei Brennstoffzellenanlagen in hohem Maße integriert. Brennstoffzellenanlagen bestehen einerseits aus den Anordnungen von Brennstoffzellen und andererseits aus der zu deren Betrieb notwendigen Peripherie, die noch um Aggregate zur Abwärmeverwertung ergänzt wird. Die Auslegung und der Betrieb solcher Systeme werden daher vom Systemverhalten der Brennstoffzellen genauso bestimmt wie von den Eigenschaften der Peripherie. Es bietet sich deshalb an, für die Beschreibung dieser Systeme geeignete Bilanzgrenzen zu wählen und mit vergleichsweise einfachen thermodynamischen Betrachtungen eine gesicherte Basis für alle weitergehenden Untersuchungen zu legen.

Brennstoffeellen dienen — wie technische Feuerungen — der Oxidation geeigneter Brenngase zur Freisetzung ihrer Reaktionsenthalpie. Während bei Feuerungen nur Wärme freigesetzt wird, dient die Brennstoffzelle vorwiegend der Stromerzeugung. Der bedeutende Unterschied liegt dabei im Weg, wie

Bereits im vorangehenden Abschnitt 2. wurde erwähnt, dass die effektive Nutzung der Zellabwärme eine wesentliche Voraussetzung für die optimale Auslegung von Brennstoffzellenanlagen ist. Dazu sollen im folgenden die thermodynamischen Prinzipien zur Verknüpfung einer Brennstoffzelle mit einem Wärmekraftprozess und zur Integration der Brenngaserzeugung im Gesamtsystem hergeleitet und diskutiert werden.

Die thermodynamische Struktur der Vergleichsprozesse, wie sie in den vorangehenden Abschnitten beschrieben wurde, liefert zwar wesentliche Aussagen über den grundsätzlichen Prozessaufbau, lässt aber definitionsgemäß die anlagentechnische Umsetzung offen. Es ist daher für die technische Umsetzung notwendig, die „beliebige“ Wärmekraftmaschine des Vergleichsprozesses zu konkretisieren und dann für die Varianten von konkreten Anlagenschaltungen Prozessberechnungen als Basis für die weitere Auslegung durchzuführen. Der theoretische thermodynamische Vergleichsprozess erweist dabei seinen praktischen Nutzen zur Evaluation und Verifizierung der Modellierung des realen Prozesses. Wenngleich die Ergebnisse solcher Prozessberechnungen eine Vorauswahl erlauben und so eine notwendige Voraussetzung für die praktische Umsetzung darstellen, zeigt erst eine darauf aufbauende Konstruktionsstudie die tatsächlichen Realisierungsmöglichkeiten möglicher Varianten auf. Insbesondere bei kostenintensiven Entwicklungen, wie sie die Stackentwicklung darstellt, ist der frühzeitige konstruktive Entwurf des Gesamtsystems eine notwendige Voraussetzung für eine effiziente Projektsteuerung, da nur so frühzeitig und mit vergleichsweise geringem Aufwand kritische Bauteile und Konstruktionen auch an den Schnittstellen erkannt werden können.

Die bisherigen Aussagen konnten ohne allzu viele Voraussetzungen über die Brennstoffzelle oder über den Stack erreicht werden. Brennstoffzelle und Stack wurden so bei allen Systembetrachtungen als „black box“ betrachtet, die lediglich bei einem bestimmten thermodynamischen Zustand eine bestimmtes Maß an Arbeit und Wärme liefert und dazu eine bestimmte Brennstoffmenge einer bestimmten Qualität benötigt. Die Verknüpfung von Verbrennungsreaktion und elektrischen Größen konnte allein aus thermodynamischen Beziehungen gewonnen werden. Lediglich für die Planungsstudie mussten Annahmen hinsichtlich dem mit der elektrischen Leistung verbundenen Bedarf an Bauvolumen getroffen werden. Betrachtungen zur Zell- und Stackstruktur, zu ihrer Geometrie und ihren Einflussgrößen waren daher für die bisherigen Untersuchungen nicht notwendig. Neben der Betrachtung der material- und elektrotechnischen Aspekten lässt sich aber jeder Stack auch als verfahrenstechnischer Apparat darstellen. In diesem Abschnitt sollen daher die Brennstoffzellen und -stacks unter dem Blickwinkel der apparatetechnischen Auslegung betrachtet werden. Diese prozesstechnische Betrachtung schließt aber naturgemäß material- und die elektrotechnische Anforderungen ein.

Die ersten Erfahrungen mit Brennstoffzellen konnten in der Praxis mit PAFC Anlagen gewonnen werden. Die bereits in Kap. 5 genannten hohen Preise der PAFC sind ein wesentlicher Grund, warum die guten Ergebnisse der Feldversuche mit der PAFC noch nicht zu der ursprünglich erwarteten Marktdurchdringung geführt haben. Die PAFC stellt aber heute immer noch die am meisten verbreitete Brennstoffzelle dar. Die Herstellung der Zellen erfolgte in Japan und in den USA, während in Europa Lizenzen genutzt wurden. Der Leistungsbereich geht von 50 kW Systemen bis zu 11 MW Anlagen. Dabei ist grundsätzlich ein BHKW Einsatz vorgesehen. Die gegenwärtigen Entwicklungsarbeiten dienen vor allem dazu, die Wirtschaftlichkeit des Konzeptes zu verbessern.

Die einfache Nutzungsmöglichkeit vorhandener Infrastrukturen erleichtert die Markteinführung neuer Energiewandlungssysteme, wie der Brennstoffzelle erheblich. Während die Notwendigkeit, eine völlig neue Infrastruktur zusätzlich errichten zu müssen, eine Innovation erheblich behindert, wenn nicht sogar verhindern könnte [7.1]. Als essentielle Aspekte zur Nutzung der vorhandenen Infrastruktur sind hier insbesondere die Möglichkeiten: zu sehen. Die sonst — zumindest in Europa — ebenfalls essentiellen Fragestellungen zur Umweltverträglichkeit sind hinsichtlich des Einsatzes von Brennstoffzellen zunächst wohl von untergeordneter Bedeutung, da im Regelfall unterstellt werden kann, dass das Brennstoffzellensystem an dieser Stelle anderen Systemen deutlich überlegen ist [7.2]. Demgegenüber sind aber alle Fragen zur Wirtschaftlichkeit von Brennstoffeellen wieder von erheblicher Relevanz, da gerade hier — angesichts hoch entwickelter Konkurrenztechnologien — mögliche Hemmnisse für eine Innovation sehr konkret erscheinen.