Hintergrund-Bericht: Brennstoffzelle auf dem Weg zur Serienfertigung

• Rekordergebnisse beim Wirkungsgrad erzielt
• Hohes Marktpotenzial der Technologie
• Kostengünstiger Aufbau mit Potenzial für weitere Kostensenkungen
• Einfaches Funktionsprinzip

München - Das HotModule ist eine Karbonat-Brennstoffzelle, die als dezentrales Kleinkraftwerk entwickelt wurde und die sich nach über zehn Jahren Entwicklung derzeit in der Phase der Praxis-Erprobung befindet. Hierbei werden Anlagen dieser Art in unterschiedlichen Anwendungsbereichen auf ihre Alltagstauglichkeit getestet.

Während die MTU Friedrichshafen, die Muttergesellschaft der mtu CFC Solutions GmbH, im Kerngeschäft Dieselmotoren und Antriebssysteme für Schiffe, Bahnen, Schwerfahrzeuge und für die dezentrale Energieversorgung herstellt, betreibt das Unternehmen die Entwicklung und Serienreifmachung des HotModules innerhalb einer langfristig angelegten Strategie, denn die Brennstoffzelle stellt für das Unternehmen eine Ergänzung des heutigen Produktprogramms dar, speziell im Bereich Energiesysteme.

Das HotModule ist besonders umweltfreundlich, weil es so gut wie keine Schadstoffe emittiert. Es ist ressourcenschonend, weil es bedeutend weniger Brennstoff als vergleichbare konventionelle Kraftwerke benötigt, um die gleiche Menge Strom herzustellen. Als dezentrales Kleinkraftwerk ist die Anlage vor allem deshalb gut geeignet, weil sie außer Strom auch Hochtemperatur- Wärme generiert, die für eine Vielzahl industrieller Prozesse benötigt wird.

Rekordergebnisse beim Wirkungsgrad erzielt

Gegenüber anderen Brennstoffzellen-Technologien ist das HotModule aufgrund seiner Konstruktion und Bauart bereits heute vergleichsweise ausgereift und verhältnismäßig günstig herzustellen. Nicht zuletzt deshalb ist für das HotModule die Serienreife in Sicht, sagt Michael Bode, Vorsitzender der Geschäftsführung der mtu CFC Solutions GmbH: „Mit jeder neuen Anlage sammeln wir wichtige Erfahrungen, die wir bei der weiteren Entwicklung, und vor allem im Hinblick auf die Serienreifmachung berücksichtigen. Zielpunkt ist für uns dabei das Jahr 2006, für das wir den Hochlauf einer Serienfertigung planen.“

Die bisher installierten HotModule-Anlagen erreichen elektrische Wirkungsgrade von knapp 50 Prozent, ein Wert, der in der 250-Kilowatt-Klasse von keiner konventionellen Technologie erreicht wird. Zum Vergleich: Moderne Gasmotoren der gleichen Größenklasse arbeiten mit einem mechanischen Wirkungsgrad von rund 40 Prozent, die Umwandlung der mechanischen Energie in Strom noch nicht mit eingerechnet.

Hohes Marktpotenzial der Technologie

Die Resultate der ersten HotModule Feldversuchsanlagen haben ein starkes Interesse bei möglichen Nutzern geweckt. Im Jahr 2002 wurden allein fünf Anlagen in Betrieb genommen. „Dies war ein bedeutender Schritt in Richtung Serienreife des HotModules“, sagt Michael Bode. Die Anlagen wurden u. a. bei RWE in Essen, DeTeImmobilien in München, IPF in Magdeburg und IZAR im spanischen Cartagena installiert.

Eine besondere technische Eigenschaft des HotModules eröffnet über die bekannten Märkte hinaus auch vollkommen neue Anwendungen: Im Gegensatz zu anderen Brennstoffzellen kann das HotModule neben Erdgas auch mit anderen Brennstoffen, die Kohlenwasserstoffe enthalten, wie z.B. mit Biogas, Klärgas, Deponiegas und industriellen Restgasen betrieben werden. Heute gehen viele dieser Gase in Industrie und Landwirtschaft verloren oder werden bestenfalls thermisch genutzt. Das HotModule bietet eine Möglichkeit, diese Gase zur Stromproduktion zu verwenden.

Kostengünstiger Aufbau mit Potenzial für weitere Kostensenkungen

Das HotModule ist, ebenso wie andere Brennstoffzellen-Typen, noch in der Entwicklung und Serienreifmachung. Der wichtigste Schritt auf dem Weg zur Serie ist, den Aufbau der Anlage weiter zu vereinfachen, um den Herstellungspreis zu senken. Das Unternehmen will mit ihrer Brennstoffzelle mittelfristig auf 1200 bis 1500 Euro je Kilowatt Leistung kommen, um sie wirtschaftlich interessant zu machen. Vereinfachungen soll sowohl bei der Zelle selbst als auch bei der Brenngas-Aufbereitung vorgenommen 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. Das größte Einsparungspotenzial liegt jedoch in der Serienfertigung. „Jedes HotModule ist heute noch ein handgefertigtes Einzelstück, das von den Kosten mit seriengefertigten Produkten, wie Motoren, nicht zu vergleichen ist,“ sagt Bode. „Wenn das HotModule die Serienreife erreicht, sind nochmals 50 Prozent Kosteneinsparungen drin, so dass das Kostenziel erreichbar ist“.

Einfaches Funktionsprinzip

Das HotModule ist sehr einfach aufgebaut. Die gesamte Anlage besteht aus drei separaten Teilen, einem zentralen Stahlkessel mit dem Brennstoffzellen-Stapel – dieser ist das eigentliche HotModule, das der gesamten Anlage ihren Namen gab –, einer vorgeschalteten Gasaufbereitung und einem Elektroteil, in dem der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird und die Anlagensteuerung untergebracht ist.

Das HotModule ist eine Karbonat-Brennstoffzelle, in deren Inneren eine Temperatur von 650 Grad herrscht. 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.

Der eigentliche Kern der Anlage sind zirka 350 einzelne Zellen, die hintereinander montiert und durch Zuganker zusammengehalten werden. Sie 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.

Technische Daten des HotModules

Brennstoff	Erdgas, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Industrielle Restgase, Methanol
Elektrische Leistung des Zellblock	270 kW
Elektrische Leistung der Anlage am Netz	245 kW
Thermische Leistung der Anlage	180 kW
Elektrischer Anlagenwirkungsgrad	ca. 50 %
Elektrischer Wirkungsgrad Zellblock	ca. 56 %
Gesamtnutzungsgrad	> 90 %
Anzahl der Zellen	ca. 350
Ablufttemperatur für Wärmenutzung	ca. 400° C