Definition des Technologiefeldes

Eine Brennstoffzelle (BZ) ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs mit einem Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Der Einsatzbereich für BZ reicht von portablen Stromversorgern als Batterieersatz bzw. Ladegeräten, über Antriebsaggregate bis hin zur Anwendung in der stationären Haustechnik sowie der stationären Kraftwerkstechnik. Der Leistungsbereich erstreckt sich von wenigen Watt hin zu einigen Megawatt. Die Entwicklung der Brennstoffzellentechnik wird sehr stark in der Automobilindustrie (Niedertemperatur-Brennstoffzellen) sowie in der stationären Haustechnik (Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen) vorangetrieben. Im stationären Bereich sind es vor allem große Gasgerätehersteller, die kleine Anlagen im kW-Bereich entwickeln. Zahlreiche Vorteile von BZ-Anlagen beim Einsatz als Blockheizkraftwerk (BHKW) in der dezentralen Energieversorgung haben weltweit zu großen Anstrengungen bei der Entwicklung von Niedertemperatur- und Hochtemperatur- Brennstoffzellen (NT-BZ und HT-BZ) für stationäre Anwendungen geführt.

Aktueller Stand der Technologie

In den vergangenen Jahren wurden im Bereich der Reformermaterialien und Katalysatoren bereits große Fortschritte erzielt, wobei eine weitere Kostenreduktion notwendig ist. Bei den Stacks (Stapel mehrerer Zellen) gibt es bei Niedertemperatur- Brennstoffzellen vielversprechende Ansätze zur Reduktion der Alterung, die aber weiterhin im Wettstreit mit einer Reduktion der Platinbeladung steht. Alternative Membranmaterialien werden zwar an vielen Stellen untersucht, es stehen aber noch keine zu Nafion konkurrenzfähigen Materialien zur Verfügung. Bei Hochtemperatur- Brennstoffzellen wurde die Fügetechnik deutlich verbessert, wodurch in Verbindung mit Designänderungen eine deutlich bessere Thermozyklierbarkeit erzielt wurde. Speziell bei Anodensubstratzellen stellt die Redoxstabilität immer noch eine große Herausforderung dar. Mit zunehmender Anzahl an Demonstrationsanlagen vor allem im Bereich Mikro-KWK (Kraft-Wärme-Kopplung) wurden das System und die Systemkomponenten deutlich verbessert und die Zuverlässigkeit der Anlagen deutlich erhöht. Mikro-KWK (aktuelles Entwicklungsstadium in Deutschland: TRL 8): In Japan hat die Mikro-KWK in den letzten 10 Jahren einen enormen Fortschritt gemacht. Mit massiver öffentlicher Förderung wurden inzwischen mehr als 200.000 PEFC-Systeme (Polymer Electrolyte Fuel Cell) am Markt platziert. In den letzten Jahren kamen ca. 10.000 SOFC-Systeme (Solid Oxide Fuel Cell) hinzu. In Europa, und da vorwiegend in Deutschland, wurde die Entwicklung bereits in den 90er Jahren begonnen. Neben den Aktivitäten großer Gasgerätehersteller gibt es auch einige Startup Firmen, die in diesem Bereich tätig sind. Am Markt verfügbar sind derzeit z. B. ein 5 kW PEFC-System, ein 300 W System auf der Basis einer HT-PEFC, sowie SOFC-Systeme zwischen 1 kW und 2,5 kW.

BHKW und dezentrale Stromversorgung (aktuelles Entwicklungsstadium in Deutschland: TRL 5): Im Bereich größerer KWK-Anlagen und dezentraler Stromversorgung gibt es in Deutschland nur wenige Entwicklungsaktivitäten: Speziell in den Bereichen SOFC (allerdings mit dem Schwerpunkt Elektrolyse), PAFC-Anlagen (Phosphoric Acid Fuel Cell) und MCFC-Technologie (Molten Carbonate Fuel Cell); teils in Kooperation mit japanischen und US-amerikanischen Firmen bzw. auf deren Systemen basierend.

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) war lange Zeit die kommerziell am weitesten entwickelte Brennstoffzelle. Eine amerikanische Firma entwickelte und verkaufte BHKW-Anlagen mit einer elektrischen Leistung von 200 kW, inzwischen ist deren wichtigstes Produkt eine 400 kW Anlage. Daneben werden auch 100 kW PAFC-Anlagen einer japanischen Firma in Europa vertrieben. Bis 2015 wurden sechs solche Anlagen in Deutschland installiert.

Ab etwa 2003 wurde eine größere Anzahl Karbonatschmelze-Brennstoffzellen (MCFC) -Anlagen einer US-amerikanischen Firma verkauft (in Größen von 0,3, 1,4 und 2,8 MW). Über lange Jahre gab es eine Kooperation mit einer deutschen Firma, die 300 kW Systeme unter Verwendung von Stacks der US-Firma gebaut hat. Bis 2012 wurden ca. 80 Anlagen in den USA und in Asien und ca. 40 Anlagen in Europa installiert. 2013 (basierend auf den 2,8 MW-Einheiten) eine 58 MW Anlage in Südkorea und 2016 eine erste 1,4 MW Anlage in Europa; Laut Hersteller belaufen sich die Kosten bei 2.500 – 3.000 €/kW. Die Lebensdauer der Stacks ist zurzeit auf ca. 35.000 h begrenzt, weshalb an einer Weiterentwicklung der Stack- Technologie gearbeitet wird. 2005 ist in den USA ein finanzstarkes Start-up- auf den Plan getreten, die 100 und 200 kW SOFC-Anlagen anbietet. Zwischenzeitlich wurden überwiegend in den USA Anlagen mit insgesamt mehr als 140 MW (Stand 2014) installiert. Die Anlagen sollen einen Wirkungsgrad von > 50 % besitzen und in der neuesten Generation für 4000 $/kW verfügbar sein. In Finnland beschäftigt sich eine Firma mit der Entwicklung von 20 und 50 kW SOFC-Anlagen, befindet sich aber noch am Beginn des Demo- Stadiums. In Japan wurde eine 250 kW Druck-Hybrid-Anlage auf der Basis einer tubularen SOFC entwickelt und im Betrieb demonstriert. Eine koreanische Firma arbeitet ebenfalls an einer 250 kW Druck-Hybridanlage, konnte aber bislang noch keine Anlage demonstrieren. Die PEFC zeichnet sich besonders durch eine hohe Leistungsdichte aus. Allerdings schränkt das niedrige Temperaturniveau die Nutzwärme-Anwendungen ein und der Aufwand für die Erdgasreformierung begrenzt den Systemwirkungsgrad auf ca. 36 %; bisher wurden nur einige Versuchsanlagen basierend auf Erdgas gebaut. In Kalifornien wurden zwei auf Wasserstoff basierende 1.1 MW PEFC-Großanlagen installiert, die direkt aus einer Wasserstoffpipeline versorgt werden. Eine niederländische Firma hat 2011 eine wasserstoffbetriebene 1 MW Anlage in Belgien errichtet und 2016 eine 2 MW Anlage in China. Zusammenfasend lässt sich sagen, dass die längste Entwicklungszeit für BHKW-Anwendungen die PAFC-Technologie aufweist. Allerdings konnten die Anlagenkosten trotz großer Anstrengungen noch nicht auf das Niveau konventioneller Anlagen gebracht werden. Die MCFC hat zwar bei der Kostenreduktion einen großen Fortschritt erzielt und in etwa das Niveau der PAFC erreicht. Die mangelnde Langzeitstabilität stellt jedoch ein großes Hindernis für einen breiteren Markterfolg dar. Die SOFC hat das größte Potenzial hinsichtlich des elektrischen Nettowirkungsgrads. Im Gegensatz zu den PAFC- und den MCFC-Anlagen, die Einzel-Stacks mit einer Leistung von mehreren hundert kW verwenden, haben die SOFC-Stacks zurzeit nur eine Leistung von 1 bis 2 kW, weshalb sehr viele Einzelkomponenten verschaltet werden müssen. Allerdings arbeitet die SOFC mit einer zwei- bis dreimal so großen Leistungsdichte.

Weitere Links und Software

• Energieagentur NRW- Brennstoffzelle (Link)

Quellen