Strom-/ Wärmeversorgung

Brennstoffzellensysteme und Reaktoren für die Reformierung von kohlenwasserstoffhaltigen Brenn- und Kraftstoffen können auch rein stationär eingesetzt werden. In der Regel steht dabei die Stromerzeugung im Vordergrund und die parallel erzeugte Wärme wird zur Beheizung genutzt. Nachfolgend verschiedene Beispiele für den Einsatz von Brennstoffzellensystemen und Reformierungsreaktoren.

Strom und Wärme aus Brennstoffzellen

Brenngaserzeuger des dieselbetriebenen Brennstoffzellensystem. Foto: OWI

Brennstoffzellensysteme können auch zur Versorgung von Gebäuden mit Raumwärme und Strom eingesetzt werden. Da eine Versorgungsinfrastruktur für Wasserstoff auf absehbare Zeit nicht in Sicht ist, verfolgen die meisten Geräteentwickler den Ansatz Wasserstoff als Synthesegas aus einem gasförmigen oder flüssigen marktüblichen Energieträger herzustellen. Entsprechende Geräte auf der Basis von Erdgas haben einige wenige Hersteller bereits im Angebot. OWI beschäftigt sich mit Brennstoffzellensystemen  zur Nutzung flüssiger Energieträger, wobei in der Regel Heizöl EL eingesetzt wird.

Vorteile von Brennstoffzellenssystemen in Haushaltsheizungen und Blockheizkraftwerken (BHKW) sind

  • der im Vergleich zu herkömmlichen Heizungssystemen in Kopplung mit Strombezug aus dem Netz potenziell höhere elektrische Wirkungsgrad,
  • besonders geringe Schadstoffemissionen
  • und dass sie besonders leise arbeiten.

OWI erforscht und entwickelt in diesem Zusammenhang alle Systemkomponenten, von der Brenngaserzeugung über Gebläse, Pumpen, den Tank bis hin zur Restgasverbrennung. Einzige Ausnahme: Die Brennstoffzelle selbst wird als Systemkomponente für die jeweilige Anwendung aus den am Markt verfügbaren Angeboten ausgewählt. Auch die Steuerung und Regelung des Systems wird am OWI entwickelt. Die Auslegung des Systems kann je nach Bedarf und Einsatzzweck wärme- oder stromgeführt erfolgen.

Zu den Hauptentwicklungszielen zählen die Optimierung der Lebensdauer und der Kosten der Systeme. Je nach Einsatzbereich und Energiebedarf kann die Kombination mit anderen Technologien, wie Solarthermie, Wärmespeichern, elektrischen Speichern etc., sinnvoll sein. In diesem Zusammenhang arbeitet OWI auch an der Bewertung von Technologien und Systemen mit Blick auf energetisch, wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Einsatzmöglichkeiten.

Ein Arbeitsbeispiel:

EU-Forschungsprojekt CISTEM

Eine neue Brennstoffzellen-KWK-Anlage absolvierte erfolgreiche Testläufe auf dem Prüfstand. Foto: OWI

Um einen höheren elektrischen Wirkungsgrad als konventionelle motorische BHKW´s zu erzielen, ist auch der Einsatz von Brennstoffzellen für größere BHKW-Anlagen möglich. Dies ist beispielsweise mit einem modularen Ansatz realisierbar, bei dem mehrere kleine Brennstoffzellenmodule zu einer großen Anlage gekoppelt werden. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts CISTEM wurde der Betrieb dieses Konzepts in einer neuen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) demonstriert. Die zentrale Idee des Projektes ist, die Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran- (HT-PEM) Brennstoffzellentechnologie als KWK-Konzept für Anwendungen bis 100 kW elektrischer Leistung nutzbar zu machen. Die Technologie war in diesem Leistungsbereich bisher noch nicht verfügbar und erforderte daher die Neuentwicklung für die speziellen Anforderungen in Bezug auf Effizienz, Kosten und Lebensdauer der Brennstoffzellen. Das Konzept sieht vor, dass im Idealfall regenerativ erzeugter Wasserstoff aus Windkraft zum Betrieb der Brennstoffzellen genutzt wird. Als Backup-Energieträger steht Erdgas zur Verfügung, das durch ein in das System integriertes Brenngaserzeugermodul in Wasserstoff gewandelt werden kann.

Wasserstoff für motorische BHKW

Reformereinheit für die Wandlung von Erdgas oder Biogas in wasserstoffhaltiges Synthesegas. Foto OWI

Durch eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrads bekommt der BHKW-Betrieb nicht nur mehr Flexibilität durch längere Laufzeiten bis in den Sommer hinein, sondern auch eine deutlich höhere Wirtschaftlichkeit, da die gestiegene Strommenge ins Netz eingespeist werden kann. Mit der Reformgasmotortechnologie des OWI und intelligenten Steuerungs- und Regelungstechniken können BHKW-Anlagen Wärme und Strom noch bedarfsgerechter zur Verfügung stellen.

Am OWI werden Reformereinheiten nicht nur zur Herstellung von Brenngas (Wasserstoff) für Brennstoffzellen für unterschiedliche Arten der Reformierung entwickelt. Reformierungsverfahren können auch zur Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Sie basieren auf fossilen Brennstoffen, können aber auch anteilig oder vollständig mit biogenen Brennstoffen betrieben werden. Das Konzept sieht vor, dass zum Beispiel in ein Blockheizkraftwerk BHKW eine Reformereinheit integriert und mit dem Gasmotor gekoppelt wird. Überschüssige Wärme aus dem Gasmotor, die im Normalfall ungenutzt in die Umgebung abgeführt wird, wird zusammen mit einem Teil des Gases (Erdgas oder Biogas) durch die Reformereinheit geleitet. Dabei entsteht ein wasserstoffhaltiges Brenngas, das einen höheren Energiegehalt (Heizwert) als Erd- bzw. Biogas hat, denn die überschüssige Wärme wird teilweise im Brenngas chemisch gebunden. Das so erzeugte Synthesegas wird anschließend wieder mit dem Erd- bzw. Biogas gemischt und dem Motor zugeführt. Die zusätzliche Energie sorgt für eine höhere Motorleistung, die im Generator wiederum zu einem Plus an elektrischem Strom gewandelt wird. Die Rückgewinnung der Wärmeenergie führt so zu einem höheren elektrischen Wirkungsgrad des Systems. Eine weitere motorische Anwendung für Reformierungsprozesse ist die Abgasnachbehandlung. Die Beimischung von Wasserstoff in den Abgasstrang von Verbrennungsmotoren kann zur Optimierung der katalytischen Prozesse der Abgasnachbehandlung verwendet werden und somit Schadstoffemissionen mindern.

Arbeitsbeispiel 1:

Reformgasmotor-Konzept mit Erdgas

Der Reformgasmotor im Versuchsbetrieb auf einem Prüfstand. Foto: OWI

Kleine Blockheizkraftwerke (BHKW) im Leistungsbereich von 50 kW könnten künftig deutlich wirtschaftlicher betrieben werden und die Energie bedarfsgerechter bereitstellen. Möglich wird dies durch die Reformertechnologie des OWI, die parallel zum Betrieb des Verbrennungsmotors aus Erdgas und Wasserdampf ein energetisch höherwertiges Brenngas herstellt und es direkt in den Motor leitet. Das Prinzip stammt aus der Dampfreformierung von Diesel und wurde auf den Reformgasmotor übertragen. Dadurch wird weniger Brennstoff benötigt und der elektrische Wirkungsgrad des Systems erhöht sich signifikant. Der Clou des Reformgasmotor-Konzepts ist, dass keine zusätzliche Hilfsenergie von außen erforderlich ist, da die für die Reformierung erforderliche Wärme aus dem heißen Motorabgas entnommen wird. Der Nachweis, dass das System funktioniert, wurde in einem Forschungsprojekt erbracht.

Arbeitsbeispiel 2:

Reformgasmotorkonzept mit Biogas

Ein aktuell laufendes Forschungsprojekt sieht vor, das Konzept des Reformgasmotors für den Einsatz von Biogas statt Erdgas weiterzuentwickeln. Angestrebt wird eine Erhöhung der abgegebenen elektrischen Energie eines BHKW-Biogasmotors um 10 bis 15 % bei einer gleichzeitigen Verringerung der abgegebenen thermischen Energie. Da die Reformierung prinzipiell auch mit Kohlenstoffdioxid (CO2) technisch möglich ist, soll der CO2-Anteil im Biogas von zirka 30 bis 40 % ganz oder teilweise den Einsatz von Wasser ersetzen. Ohne das bisher für die Dampfreformierung benötigte Wasser würden sich die Komplexität des Gesamtsystems und damit die späteren Herstellungskosten reduzieren.