Hintergrund Technik: HotModule der MTU Friedrichshafen - zukunftsfähige Kraft-Wärme-Kopplung

• Einfaches Funktionsprinzip
• Hohe Entwicklungspotenziale
• Technische Daten

Friedrichshafen - Das HotModule, das Brennstoffzellen-System der mtu, stellt eine von mehreren Technologien dar, die heute für Brennstoffzellen-Anlagen zur Verfügung stehen. Die verschiedenen Brennstoffzellen unterscheiden sich hauptsächlich durch die in der Zelle herrschenden Temperaturen und durch den verwendeten Elektrolyten, also die Substanz, mit deren Hilfe der Ladungsaustausch und damit die Stromproduktion von statten geht.

Das HotModule ist eine Karbonat-Brennstoffzelle. In ihrem Inneren herrscht eine Temperatur von 650 Grad. Die hohe Temperatur erlaubt es, auf teure Katalysatoren aus Edelmetall zu verzichten. Nickel reicht aus, um die Brennstoffzellen-Reaktion in Gang zu bringen. Bei 650 Grad stellt sich noch ein anderer Effekt ein: Werden innerhalb der Brennstoffzelle Erdgas und Wasser zusammengebracht, spaltet sich Wasserstoff ab, eben der Kraftstoff, der notwendig ist, um Brennstoffzellen zu betreiben und der bei Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen in voluminösen Reformieranlagen erst teuer gewonnen werden muss. Der willkommenste Nebeneffekt aber findet sich in der Abluft des HotModules: 400 Grad Hitze, mit der sich Hochdruck-Wasserdampf erzeugen lässt, der wiederum für viele industrielle Prozesse benötigt wird.

Einfaches Funktionsprinzip

Das HotModule ist sehr einfach aufgebaut. Die gesamte Anlage besteht aus drei separaten Komponenten, einem zentralen Stahlkessel mit dem Brennstoffzellen-Stapel - dieser ist das eigentliche HotModule, das der gesamten Anlage ihren Namen gab -, einer vorgeschalteten Gasreinigungsanlage und einem Elektroteil, in dem der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird und die Anlagensteuerung untergebracht ist. Zirka 350 einzelne Zellen, die hintereinander montiert und durch Zuganker zusammengehalten werden, bilden zusammen den Zellstapel. Die einzelnen Zellen sind als flache Sandwiches gebaut. Hier umschließen zwei Elektroden (Anode und Kathode) eine Trägerfolie, die mit dem Elektrolyt Lithium-Kalium-Karbonat gefüllt ist. Wenn der Wasserstoff die eine Elektrode und Luft die andere bestreicht, kommt bei 650 Grad Celsius ein stromerzeugender Prozess in Gang. Dieser verläuft drucklos und mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Durch die hohe Temperatur schmilzt der Elektrolyt und ermöglicht den Elektronenaustausch: Die Karbonat-Ionen entladen sich an der Anodenseite und geben ein Sauerstoff-Atom ab, das sich mit dem vorbeiströmenden Wasserstoff zu Wasser (H2O) verbindet. Das verbleibende Kohlendioxid (CO2) kehrt zur Kathodenseite zurück, nimmt dort zwei Elektronen und ein Sauerstoff-Atom aus der vorbeiströmenden Luft auf und kehrt so als Karbonat-Ion (CO32-) erneut in den Prozess zurück.

Entwicklungspotenziale des HotModules

Das HotModule ist, ebenso wie andere Brennstoffzellen-Typen, in seiner Entwicklung noch nicht abgeschlossen. Michael Bode, für die Brennstoffzellen-Aktivitäten der mtu verantwortlich, sieht Potenzial für Verbesserungen: "Wenn man sich die Geschichte der Motorentechnik anschaut, liegt die Vermutung nahe, dass auch bei der Brennstoffzelle mit der Entwicklung zur Serienreife und danach eine Welle weiterer technischer Verbesserungen einhergeht."

Entwicklungsmöglichkeiten sieht er beim HotModule an verschiedenen Stellen. Der wichtigste Schritt sei, den Aufbau der Anlage weiter zu vereinfachen, um Kosten zu sparen. Diese Vereinfachung soll sowohl bei der Zelle selbst wie auch bei der Brenngas-Aufbereitung erreicht werden. Daneben arbeiten die mtu-Techniker daran, die Energiedichte der Zelle zu steigern und ihre Lebensdauer zu verlängern. Die einzelnen Zellen, die heute 0,7 kW leisten, sollen in Zukunft jeweils 1 kW Strom erzeugen. Auch sind die mtu-Ingenieure dabei das HotModule noch flexibler zu machen. Es soll in der Lage sein, bei Störungen im Stromnetz, selbst bei totalem Stromausfall, eigenständig weiter Energie zu erzeugen. Dann kann nicht nur der Betrieb des HotModules, sondern auch die Versorgung solcher Verbraucher aufrecht erhalten werden, die auf Stromschwankungen empfindlich reagieren - ein unschätzbarer Vorteil, zum Beispiel in sensiblen Fertigungsbereichen oder in Krankenhäusern.

Technische Daten des HotModules
Betriebsstoff	Erdgas, Biogas, Klärgas, Deponiegas,Industrielle Restgase, Methanol
Elektrische Leistung (Zellblock)	270 kW
Elektrische Leistung am Netz	ca. 230 kW
Thermische Leistung	170 kW
Elektrischer Wirkungsgrad Zellblock	ca. 56 %
Elektrischer Wirkungsgrad der Gesamtanlage am Netz	ca. 48 %
Gesamtnutzungsgrad	> 90 %
Anzahl der Zellen	ca. 350
Wärmenutzung	zweistufig: Prozessdampf und Heizwärme
Lebensdauer	ca. 5 Jahre
Gewicht	15 Tonnen
Wirkungsgrad Gesamtanlage	ca. 50 %