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Prinzip der Brennstoffzelle
(m) Brennstoffzellen wird chemische Energie in Form
eines Brennstoffs kontinuierlich zugeführt. Dazu sind zwei flächige
Elektroden durch einen Elektrolyten getrennt, einen Stoff, der nur Ionen
einer bestimmten Art leitet. In der Festoxid-Brennstoffzelle dient als
Elektrolyt eine Keramik aus Zirkonoxid, die ausschliesslich Sauerstoff-Ionen
durchlässt: Für ihren Betrieb lässt man zur einen Elektrode,
der Kathode, Luft strömen. Bei der hohen Betriebstemperatur von 900
bis 1000oC und infolge der Katalysatorwirkung
von Elektrolyt und Elektrode werden die Atome des Luftsauerstoffs ionisiert,
d. h. sie nehmen je zwei (elektrisch negarive) Elektronen auf Diese Ionen
wandern durch den Elektrolyt zur anderen Elektrode, der Anode. Sie geben
die beiden Elektronen an die Anode ab und reagieren chemisch mit Brennstoff-Atomen.
An der Anode besteht nun Elektronenüberschuss, an der Kathode Elektronenmangel,
mithin dazwischen eine elektrische Spannung in der Grössenordnung
von einem Volt - eine leitende äussere Verbindung lässt Gleichstrom
fliessen
Herausforderungen an die Energie- und Antriebstechnik
Energietechnik und Energieversorgung beeinflussen
weite Bereiche von Wirtschaft und Gesellschaft. Die Energiewirtschaft ist
zugleich ein bedeutender Sektor der Weltwirtschaft mit hoher Wertschöpfung
und grossem Innovationsbedarf. Die Verfügbarkeit ausreichender und
kostengünstiger Energie und der aus ihr gewinnbaren technischen Arbeitsfähigkeit
ist und bleibt eine der Grundvoraussetzungen für wirtschaftliche Entwicklung
und humane Lebensbedingungen.
Die weltweite Energieversorgung erfolgt heute noch
immer zu 90% der Primärenergie durch Verbrennung fossiler Energieträger
(40% Mineralöl, 27% Kohle, 23% Erdgas; dazu kommen 8% Kernkraft, 2%
Wasserkraft)(1).
Die Prognosen für die Entwicklung der Welt bevölkerung
zeigen einen Anstieg von derzeit knapp 6 Milliarden auf 10 bis 12 Milliarden
Mensehen
(2)in der 2. Hälfte des nächsten
Jahrhunderts, der nahezu ausschliesslich in den Entwicklungs- und Schwellenländern
stattfinden wird. Damit verbunden ist in diesen Ländern ein drastischer
Anstieg der Nachfrage nach Energiebereitstellung.
Die derzeitige Energieversorgung ist aber bereits
eine wesentliche Quelle der Belastung von Umwelt und Klima. Der jährliche
Weltenergieverbrauch beträgt zurzeit rund 12 Mrd. t SKE. Fûr
das Jahr 2020 wird mit etwa 20 Mrd. t SKE gerechnet (3).
Besonders beunruhigend ist hierbei der drohende, weltweit absolut noch
stark steigende Verbrauch fossiler Primärenergieträger, der mit
den damit verbundenen Emissionen von Schadstoffen nicht nur Umwelt und
Klima gefährdet, sondern auch - irreversibel - wertvolle Ressourcen
rasch aufzebrt. Nach derzeitigem Wissensstand stellt die mögliche
Veränderung des Klimas eine vermutlich grosse Gefahr für die
Lebensgrundlagen der Menschheit dar.
Damit ist das zentrale Spannungsfeld der zukünfligen
Entwicklung beschrieben: Schaffung humaner Lebensbedingungen für eine
weiter wachsende Weltbevölkerung bei gleichzeitiger Begrenzung der
Inanspruchnahme von Natur und Umwelt, damit die Lebensqualität zukünftiger
Generationen nicht beeinträchtigt wird.
Die damit verbundene Notwendigkeit schadstoffarmer
und effizienter sowie kostengünstiger Energietechnologien für
die Energieversorgung stellt hohe Anforderungen an zuktünftige Energiesysteme.
Nachhaltige Entwicklung
Im Mittelpunkt stehen dabei die folgenden Grundprinzipien
für eine nachhaltige Entwicklung:
· Die Nutzung einer Ressource darf
auf Dauer nicht grösser sein als ihre Regenerationsfähigkeit
oder die Rate der Substitution all ihrer Funktionen (Ressourcenschonung).
· Die Freisetzung von Stoffen darf
auf Dauer nicht grösser sein als die Tragähigkeit der Umweltmedien
bzw. als deren Assimilationsfähigkeit.
· Gefahren für die menschliche
Gesundheit durch anthropogene Einwirkungen sind auszuschliessen.
· Begrenzung der verbleibenden Risiken
auf ein verantwortbares Mass (Risikovorsorge).
Nachhaltigkeit soll als ethische Norm der Verantwortung
im Sinne einer Gieichbehandlung zukünftiger Generationen mit der heute
lebenden verstanden werden. Dabei kommt es nicht darauf an, die Bedürfnisse
zukünftiger Generationen zu kennen, sondern ihnen Lebensbedingungen
offen zu halten, wie sie der heutigen Generation zur Verfügung stehen.
Nachhaltige Entwicklung soll den heute lebenden Menschen die Befriedigung
ihrer Bedürfnisse ermöglichen, ohne dass dadurch die Befriedigung
ähnlicher Bedürfnisse künftiger Generationen beeinträchtigt
wird. Mit nachhaltiger Entwicklung ist nicht nur verantwortliches Handeln
gegenüber zukünftigen Generationen angesprochen, sondern insbesondere
auch verantwortliches Handeln der Industrieländer gegenüber den
Entwicklungsländern, um die bestehenden krassen wirtschaftlichen und
sozialen Gegensätze zu überwinden, zumindest zu mildern. Nachhaltige
Entwicklung vereint die sich scheinbar widersprechenden Forderungen nach
wirtschaftlicher Entwicklung einerseits und schonendem Umgang mit den begrenzten
Ressourcen sowie der Umwelt und dem Klima andererseits. Im Hinblick auf
den Anspruch einer nachhaltigen Entwicklung kommt es darauf an, Energietechnologien
zu nutzen, die hinsichtlich der Freisetzung von Stoffen mit Umwelt und
Klima auch langfristig verträglich sind, zur Ressourcenschonung beitragen
und deren Risiken verantwortbar sind.
Eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung
kann durch technische Innovationen mit folgenden Zielsetzungen gefördert
werden:
· Mittelfristig der Einsatz zunehmend
effizienterer und schadstoffärmerer Energietechnologien zur besseren
Ausnutzung fossiler Primärenergieträger sowohl in der stationären
Energieversorgung wie im Verkehrsbereich.
· Langfristig der verstärkte
Einsatz aller nicht fossilen Primärenergiequellen, die geringe Schadstoffemissionen
aufweisen, hinreichend langfristig verfügbar, wirtschaftlich entwickelbar
und mit verantwortbaren Risiken bei potenziellen Unfallszenarien und bei
der Endlagerung von Abfällen verbunden sind.
· Brennstoffzellensysteme können
für den ersten Zielbereich wichtige Beiträge liefern, sowohl
im dezentralen stationären Einsatz wie auch als Fahrzeugantrieb.
Basistechnologie Brennstoffzellentechnik
Die elektrochemische Energiewandlung in Brennstoffzellen,
auch "kalte Verbrennung» genannt, ist gekennzeichnet durch hohe Wirkungsgrade
und extrem niedrige Emission von Schadstoffen. Damit ist die elektrochemische
Energiewandlung in Brennstoffzellen interessant für das Ziel einer
hocheffizienten und emissionsarmen Energieversorgung und Verkehrstechnik.
Die Brennstoffzellentechnik ermöglicht ausserdem die unmittelbare
Erzeugung von elektrischer Energie aus gasförmigen und flüssigen
Energieträgern - heute noch fossile, zukünftig mit regenerativer
Energie erzeugte Brennstoffe - ohne den verlustbehafteten Umweg über
Wärmekraftmaschinen (z. B. Turbinen, Motoren) gehen zu müssen.
Die technisch-wissenschaftlichen Aufgaben umfassen die Entwicklung langzeitstabiler
und kostengünstiger Elektroden-Elektrolyt-Verbundsysteme, Zellblöcke
und Brennstoffzellen-Gesamtsysteme. Die Brennstoffzellentechnik stellt
eine Basistechnologie dar, weil ihr Anwendungspotenzial vom Kleinstaggregat
für Handys über Fahrzeugantriebe bis zu stationären Kraftwerken
in höchsteffizienter Kraft-Wärme-Kopplung. über Bordsysteme
im Flugzeug bis zu Raumstationen reicht.
Brennstoffzellen können erhebliche Beiträge
zur Reduzierung lokaler Schad stoffemissionen aber auch klimarelevanter
Gase leisten. Zur korrekten Beurteiliung dieser Potenziale sind zum einen
vollständige Nutzungssysteme zu betrachten, zum anderen sind Analysen
auf der Basis der gesamten Energiewandlungskette erforderlich. Auch die
Entwicklungspotenziale konventioneller Nutzungssysteme in dieser Hinsicht
sind zu berücksichtigen. Repräsentative Ergebnisse derartiger
Analysen sowohl im stationären wie im mobilen Bereich werden vorgestellt.
Brennstoffe, Energie- und Emissionsbilanzen
Der für den Brennstoffzellenbetrieb notwendige
Wasserstoff kann direkt mit Hilfe der Wasserelektrolyse auf Basis nichtfossiler
oder fossiler Energie bereitgestellt werden, oder durch externe bzw. interne
Reformierung von Erdgas, Methanol und - zukünftig eventuell - Kohlegasen.
Neben den mit den verschiedenen Brennstoffen und
Kraftstoffen verbundenen spezifischen Problemen der Brennstoffzellentechnik
sind hierbei die Energie- und Emissionsbilanzen wichtige Kriterien.
Ein umweltrelevantes Kriterium zur Bewertung von
Blockheizkraftwerken (BHKW) ist die Höhe der Brennstoffeinsparung
im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Strom und Nutzwärme. Diese
hängt bei gegebener Vergleichserzeugung sowohl von der BRKW-Auslegung
als auch von der Stromkennzahl bzw. dem Gesamtnutzungsgrad ab. Die erzielbaren
Brennstoffeinsparungen von Referenzsystemen wurden verglichen. Je höher
der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anteil (KWK) an der Wärmedeckung ist,
desto höher ist die Einsparquote.
Während BHKW mit MembranBrennstoffzellen (PEFC)
wegen des zu 75% angenommenen Gesamtnutzungsgrades hinsichtlich der Brennstoffeinsparung
mit zukünftigen Motor-BHKW mit 26 bis 28% vergleichbar sind, aber
über den Werten heutiger Motor-BHKW liegen, können zukünftige
BHKW mit phosphorsauren Brennstoffzellen (PAFC) mit 29-32%, erst recht
aber BHKW mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) mit 33-38% deutlich
höhere Werte erreichen. Die heutigen PAFC-BHKW sind mit heutigen Motor-BHKW
vergleichbar.
Die guten elektrischen Nutzungsgrade der Brennstoffzellen-BRKW
gewährleisten jedoch auch bei Stromüberschussprodukten deutliche
Einspareffekte gegenüber neuen, konventionellen Kraftwerken. Auch
diese Eigenschaft trägt zu einer erhöhten Flexibilität im
KWK-Einsatz von Brennstoffzellen im Vergleich zum Motor-BHKW bei.
Hauptvorteil der Brennstoffzelle sind die extrem
geringen lokalen Emissionen. Die Quell von Stickoxid- und Kohlenmonoxidemissionen
ist ausschliesslich der Reformer, der im Allgemeinen mit nicht in der Brennstoffzelle
umgesetztem Prozessgas beheizt wird.
Pilot- und Demonstrations-projekte (Bild 2)
Im stationären Bereich wurden und werden weltweit
folgende Pilot- und Demonstrationsprojekte mit Membran-Brennstoffzellen
PEFC (=80), phosphorsauren Brennstoffzellen PAFC (= 2000C),
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen MCFC (=6500C) und Festelektrolyt-Brennstoffzellen
(= 900 0C) durchgefürt:
PEFC:
· Burnaby, Kanada (BC Hydro): 250-kWel-Demoanlage
(Ballard Generation Systems), in Betrieb
· Heizkraftwerk Treptow (Bewag):
250-kWel-Anlage (Ballard Generation Systems)
und weitere Anlagen, geplant
· Erdgashaus Machern/Leipzig: 4-kWel
Anlage
(American Power Corp.), in Betrieb
· Risa-Grossenhain: 7,5-kWel-Anlage
(Energy Partners, Fraunhofer ISE), in Betrieb
· Vaillant und Plug Power: Vermarktung
Von Brennstoffzellen-Heizgeräten, geplant
PAFC:
· Kommerzielle Vermarktung der ONSI-PAFC
200 kWel, zahlreiche Anlagen weltweit,
unter anderem in Hamburg (davon eins mit H2-Betrieb), Darmstadt
(bis 1998), Saarbrücken, Oranienburg, Halle, Nürnberg, Köln
(ab 1999 mit Klärgas)
· Fuji-Elektrik: Markteinfohrung
einer l00-kWel-Anlage, geplant
· Grossanlagen in Japan, vor allem
11 MWel (Tokyo Electric Power, Japan)
MCFC:
Deutschland:
· Stadtwerke Bielefeld: 250 kWel
Hot
Module (mtu), in Betrieb
· Dorsten: 300-kWel-Testanlage
Hot Module (mtu), inzwischen ausser Betrieb
International:
· Japan: l-MWel-Demoanlage
(Hitachi), in Bau
· Mailand: 100-kWel-Demoanlage
(Ansaldo Ricerche), in Betrieb
· Santa Clara: 2,8-MW el-Demoanlage
(ERC), inzwischen ausser Betrieb
SOFC:
· Westervoort (Niederlande):100-kWel-Pilotanlage
(Siemens/Westinghouse), in Betrieb
· Southern California: 250-kWel-SOFC/GT
mit Druckbetrieb und Gasturbine (Siemens-Westinghouse), in Bau, Inbetriebnahme
für 2000 geplant
· Nordrhein-Westfalen RWE Energie:
300-kWel-SOFC/GT (Siemens-Westinghouse),
geplante Inbetriebnahme 2000
· Baden-Württemberg EnBW: l-MWel-SOFC/GT
(Siemens-Westinghouse), geplant
· Sulzer-HEXIS: 2-kWel-Kleinanlagen,
vier Anlagen irn Testbetrieb
· Kleinere Demostacks von Allied
Signal, Ztek, SOFCo, Mitsubishi, Toto, Rolls Royce, DLR, FZ Jülich,
u. a.
Tabelle I Brennstoffzellentypen |
Tabelle II Merkmale der Brennstoffzellen und Einsatzgebiete |