Der zunehmende Anteil elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie führt dazu, dass sich Energie-Angebot und -Nachfrage zum Teil nicht decken. Um diese Fluktuationen aufzufangen, könnte überschüssiger Windstrom in Wasserstoff umgewandelt und später wieder verstromt werden. Das Projekt CISTEM will dazu die Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellentechnologie für Blockheizkraftwerke (BHKW) nutzbar machen. Dies erfordert die Entwicklung einer neuen Brennstoffzellentechnologie für die speziellen Anforderungen des BHKW in Bezug auf Effizienz, Kosten und Lebensdauer. Gleichzeitig können bei der Entwicklung des BHKW-Systems die speziellen Vor- und Nachteile der Brennstoffzellentechnologie so berücksichtigt werden, dass ein optimales Systemdesign entsteht.
BHKW soll Wasserstoff aus Windstrom und Erdgas nutzen können
Das Brennstoffzellen-BHKW, das die CISTEM-Partner entwickeln wollen, soll Wärme und Strom für größere Gebäude bzw. kleine Siedlungen erzeugen. Ein solches Blockheizkraftwerk könnte dann aus bis zu 20 miteinander verschalteten Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-(HT-PEM) Brennstoffzellenmodulen bestehen, das Wärme und Strom aus Wasserstoff erzeugt, der zuvor mittels Elektrolyse aus überschüssigem Windstrom hergestellt und gespeichert wurde und damit bedarfsgerecht abrufbar ist. In dieses Kraft-Wärme-Kopplungssystem ist zudem eine Reformereinheit integriert, die auch aus Erdgas den zum Betrieb der Brennstoffzellen erforderlichen Wasserstoff herstellen kann. Dies erhöht einerseits die Versorgungssicherheit und ermöglicht andererseits, zeitabhängig den jeweils günstigsten Energieträger für die Wärme- und Stromerzeugung des Systems zu wählen.
Modularer Aufbau soll HT-PEM-Brennstoffzellen wirtschaftlich machen
Der modulare Aufbau des Systems aus einzelnen Brennstoffzelleneinheiten mit einer elektrischen Leistung von jeweils 5 kW kann auf bis zu 100 kW hochskaliert werden und bietet eine größtmögliche Flexibilität für die Energieversorgung in unterschiedlichen Größenordnungen. Zudem sind kleine Module in größeren Mengen zu günstigeren Kosten herstellbar. Im intelligent gesteuerten Betrieb erhöht sich dadurch zusätzlich die Gesamteffizienz des BHKW-Brennstoffzellensystems. Zum Einsatz kommen Hochtemperatur-Brennstoffzellen, deren Materialien im Laufe des Projekts so optimiert werden, dass eine Lebensdauer des Systems von mehr als 40.000 Stunden und eine Verbesserung des Wirkungsgrads von mehr als 20 % im Vergleich zu aktuell erhältlichen HT-PEM-Systemen realisierbar ist. Der elektrische Wirkungsgrad des KWK-Systems soll bei mehr als 45 % liegen. CISTEM-Projektpartner sind
- NEXT ENERGY EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie e.V.,
- Danish Power Systems Ltd. (Technical University of Denmark),
- Eisenhuth GmbH & Co. KG,
- ICI Caldaie S.p.A.,
- inhouse-engineering GmbH,
- Institute of Chemical Technology Prague,
- OWI Oel-Waerme-Institut-GmbH und
- University of Castilla-La Mancha
Polymerelektrolytmembran trennen Protonen und Elektronen
PEM-Brennstoffzellen sind kleine, kompakte Einheit, in denen Wasserstoff und Sauerstoff reagieren und dabei Strom und Wärme erzeugen. Im Kern dieser Brennstoffzelle sind zwei gasdurchlässige Elektroden durch eine Polymerelektrolytmembran (PEM) mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm voneinander getrennt, die eine Vermischung der Gase verhindert. An die Anodenseite wird Wasserstoffgas zugeführt, an der Kathodenseite Luft. Je nach der eingesetzten Technik kommen verschiedene Elektrolyte und Katalysatoren zum Einsatz. An der Anode werden Wasserstoffmoleküle mit Hilfe des Katalysators zuerst in Atome gespalten und diese anschließend jeweils in ein Proton und ein Elektron zerlegt. Nur die Protonen wandern durch die Membran zur Kathodenseite, so dass an der Anode ein Elektronenüberschuss entsteht, während sich die Kathode durch die Protonen positiv auflädt. Zwischen Anode und Kathode entsteht so eine elektrische Spannung und Wärme. Je nach Reaktionstemperaturen unterscheidet man Niedertemperatur-PEM- und Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen.
