CISTEM - Oel-Waerme-Institut gGmbH

CISTEM

Entwicklung langzeitstabiler HT-PEM MEA´s und Stacks zur Realisierung eines modularen BHKWProjektlogo CISTEM

Projektbeschreibung
Eine solide Bereitstellung von Strom und Wärme im Haushaltsbereich ist eines der Hauptanliegen der Energieversorgung auf europäischer Ebene. Der zunehmende Anteil elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie führt dazu, dass sich Energie-Angebot und -Nachfrage zum Teil nicht decken. Da der Marktanteil an Raumwärme und häuslicher elektrischer Energie an der gesamten Energieversorgung sehr bedeutsam ist, könnte mit einer neuen Technologie, die Energie sowohl effizient erzeugen als auch speichern kann, die Stabilität des europäischen Energienetzes erheblich verbessert werden.

Die zentrale Idee des Projektes CISTEM ist, die Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellentechnologie für Blockheizkraftwerke (BHKW) nutzbar zu 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. Das Brennstoffzellen-BHKW soll Wärme und Strom für größere Gebäude bzw. kleine Siedlungen erzeugen.

Projektziele
Innerhalb von CISTEM wird die Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellentechnologie (HT-PEM) für die Anwendung in BHKW weiterentwickelt. Dazu soll ein BHKW-System mit einer Leistung von bis zu 100 kWel entworfen werden, das modular aus Brennstoffzelleneinheiten mit je 5 kWel besteht. Parallel dazu wird die HT-PEM Technologie weiterentwickelt, um die Lebensdauer- und Leistungsanforderungen zu erfüllen. Der modulare Aufbau mit flexibler Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten ermöglicht eine optimale Anpassung des BHKW-Systems an den Wärme- und Strombedarf von Gebäuden bzw. Siedlungen in unterschiedlichen Größenordnungen. Das BHKW-System wird zudem so ausgelegt, dass es sowohl mit Wasserstoff als auch mit Erdgas betrieben werden kann.

Überschüssige elektrische Energie aus Windkraft, die nicht in das Netz eingespeist werden kann, könnte beispielsweise für die Elektrolyse von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden, um beide zunächst zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt im KWK-System bedarfsgerecht zu nutzen. Damit ließe sich durch das Brennstoffzellen-BHKW eine Speicherwirkung elektrischer Energie erzielen. Das HT-PEM-System soll eine Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads der Membrane Electrode Assembly (MEA) von mehr als 20 % im Vergleich zu aktuell erhältlichen HT-PEM-Systemen erreichen. Der elektrische Gesamt-Wirkungsgrad soll bei mindestens 45 % liegen. In Kombination mit der Wärmenutzung wird damit ein elektrisch-thermischer Gesamtwirkungsgrad von mehr als 95 % erreicht.

Arbeitsziele
In CISTEM wird ein modulares BHKW-Design entwickelt, welches auf Basis von Modulen mit jeweils 5 kW elektrischer Leistung Anlagengrößen bis 100 kWel ermöglicht. Zu diesem Zweck wird am OWI ein Evaluierungsteststand für die Untersuchung von zwei Modulen aufgebaut. Mit Hilfe von Hardware-in-the-Loop (HIL) -Berechnungsmodellen wird das Betriebsverhalten in Anlagengrößen bis 100 kWel geprüft. Der Vorteil des Einsatzes von 5 kW Modulen besteht darin, dass kleinere Module in großen Mengen zu geringeren Kosten hergestellt werden können. Weiterhin ergibt sich eine höhere Effizienz des Gesamtsystems durch eine optimierte Arbeitsweise mit optimaler Auslastung einzelner Module. Zudem ermöglicht der modulare Aufbau die Wartung im laufenden Betrieb und sichert die Stabilität und Verlässlichkeit des gesamten Systems. Durch den Versuchsaufbau in einer HIL-Prüfstandsumgebung kann das BHKW-System unter variierenden klimatischen Bedingungen, wie sie in Europa vorherrschen, im Detail getestet werden. Darüber hinaus werden Schnittstellen für die Einbindung des Systems in intelligente Stromnetze entwickelt.

Parallel zum Einsatz von Wasserstoff als Energieträger wird eine hocheffiziente Reformereinheit zur Nutzung von Erdgas als beständige Energiequelle für den Betrieb des BHKW entwickelt und implementiert. Die Reformereinheit wird mit Blick auf einen hohen Wirkungsgrad Dampfreformertechnologie nutzen. Zur Abdeckung von Spitzenlasten zusätzlich im Nahwärmenetz benötigte Wärmeenergie soll durch einen in das Gesamtsystem integrierten separaten Erdgasbrenner erzeugt werden.

Ein weiterer zentraler Entwicklungsschwerpunkt des Projekts ist die Realisierung eines langlebigen und hocheffizienten HT-PEM-Brennstoffzellenmoduls durch die inhouse-engineering GmbH. Zu diesem Zweck werden MEAs und Bipolarplatten speziell hinsichtlich Lebensdauer, Effizienz, Druckbelastung und Sauerstofftoleranz untersucht und weiterentwickelt. Eine Steigerung der elektrischen Leistung der Brennstoffzellen kann zum Beispiel durch die Nutzung des bei der Elektrolyse anfallenden, aber normalerweise nicht genutzten Sauerstoffs erreicht werden.

Um eine Lebensdauer von bis zu 40.000 Stunden abzusichern, müssen allerdings die Alterungsmechanismen beim Projektpartner NEXT ENERGY genau untersucht und quantifiziert werden. Auf Basis dieser Daten können zum einen der Aufbau von MEAs und Bipolarplatten gezielt optimiert und zum anderen die Betriebsstrategie der KWK-Anlage angepasst werden.

Als Ergebnis wird ein KWK-System angestrebt, das mehrere Brennstoffzellenstacks, einen Reformer und Wärmeversorgungseinheiten in einem HIL-Prüfstand miteinander kombiniert. Damit sollen die Machbarkeit nachgewiesen und die Einsatzmöglichkeiten untersucht werden.

Bei allen Entwicklungsschritten haben sich die beteiligten Projektpartner unter der Führung von NEXT ENERGY als Projektkoordinator auf eine Herangehensweise verständigt, die streng kostenoptimiert vorgeht. Dies schließt auch Prozesse einer späteren Serienproduktion bis zur Vermarktung des BHKWs durch ICI Caldaie S.p.A. ein. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung soll Kosteneinsparungen durch den vereinfachten modularen Systemaufbau nachweisen.

Arbeitsaufgaben OWI
Das Oel-Waerme-Institut wird in Abstimmung mit allen Projektpartnern ein BHKW entwerfen, sowie die Parameter zur Auslegung definieren und Auslegungsrichtlinien entwickeln. Dazu koordiniert OWI die Arbeitspakete zur Entwicklung der Systemkomponenten und zum Aufbau und Test des Evaluierungssystems. Dies beinhaltet unter anderem die folgenden Aufgaben:
• Entwurf und Auslegung des modularen KWK-System-Designs
• Entwicklung und Auslegung von Balance of Plant Komponenten wie Medienversorgung, Heiz- und Kühlungseinheiten und der Zentralsteuerung
• Aufbau des Evaluierungssystems
• Untersuchung der Steuerungsmöglichkeiten und Betriebsstrategien
• Detaillierte Analyse des Systempotenzials
• Bereitstellung von Regelwerken und Auslegungskriterien für die Skalierung auf größere Leistungseinheiten

Projektpartner
• Koordinator: NEXT ENERGY • EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie e.V., Deutschland
• Danish Power Systems Ltd., Dänemark
• Eisenhuth GmbH & Co. KG, Deutschland
• ICI Caldaie S.p.A., Italien
• inhouse-engineering GmbH, Deutschland
• Institute of Chemical Technology Prague, Tschechische Republik
• OWI Oel-Waerme-Institut-GmbH, Deutschland
• University of Castilla-La Mancha, Spanien

Projektförderung
Förderlogo Joint UndertakingFörderinitiative „Fuel Cells and Hydrogen“ (FCH), Joint Undertaking (JU) mit Mitteln der Europäischen Union der Forschungsförderung im 7. Rahmenprogramm (FP7),
Grant Agreement No. 325262.

Projektdauer
Juni 2013 bis Mai 2016

Ansprechpartner
Jörg vom Schloß
Tel.: 02407/ 9518-125
E-Mail: J.vomSchloss@owi-aachen.de