Thomas J. Schmidt

Brennstoffzellen gelten als effiziente elektrochemische Energiewandler, denen eine große Zukunft in der dezentralen Hausenergieversorgung vorhergesagt wird. Dabei werden in der dezentralen Hausenergieversorgung spezielle Brennstoffzellen-Heizgeräte entwickelt, die es erlauben, sowohl elektrische als auch thermischer Energie zur Verfügung zu stellen, das heißt der Wärme und Strombedarf von Wohn- und Geschäftshäusern kann damit gedeckt werden.

Das Prinzip des Energiewandlers Brennstoffzelle ist denkbar einfach: In Wasserstoff-Gas chemisch gebundene Energie wird durch elektrochemische Oxidation mit Luft freigesetzt, als Reaktionsprodukte ergeben sich Wasser, elektrische Energie und Wärme. Speziell in der dezentralen Hausenergieversorgung wird als chemischer Energieträger jedoch vornehmlich Erdgas aus Gründen der Verfügbarkeit und der bestehenden Infrastruktur benutzt, welches direkt vor der Brennstoffzelle durch eine einfache Reformierungsreaktion in ein wasserstoffreiches Gas umgesetzt wird. Solange noch keine nachhaltige, regenerative Wasserstoffgewinnung und -Infrastruktur vorhanden ist, wird Erdgas sicherlich der bevorzugte chemische Energieträger für die stationäre Hausenergieversorgung mit Brennstoffzellen-Heizgeräten bleiben.

Für die dezentrale stationäre Hausenergieversorgung werden typischerweise Brennstoffzellensysteme im Bereich zwischen 1 kW und 5 kW elektrischer Leistung eingesetzt, deren elektrische Wirkungsgrade in den modernen eingesetzten Geräten systemabhängig im Bereich von 30 % bis 45 % liegen. Für den oben genannten Leistungsbereich werden aktuell drei verschiedene Brennstoffzellen-Typen verwendet: die Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt Brennstoffzelle (LT-PEFC), die Hoch-Temperatur PEFC (HT-PEFC) und die oxid-keramische Brennstoffzelle (SOFC), welche sich durch unterschiedliche Materialen und vor allem ihrer Betriebstemperatur unterscheiden: Während die LT-PEFCs bei bis zu 90 °C betrieben werden, sind die Temperaturniveaus einer HT-PEFC und einer SOFC bei bis zu 180 °C und bis zu 900 °C zu finden. Abbildung 1 zeigt als Beispiel ein aktuelles 5 kW^e HT-PEFC System der Firma PlugPower in einer Hausinstallation.

Abbildung 1: Hoch-Temperatur PEFC Brennstoffzellensystem GenSys® Blue der Firma PlugPower zur Gewinnung von elektrischer Energie und Wärme (CHP-System). Quelle: Fuel Cells Bulletin 12 (2009) 12-16.

Grundsätzlich sind die Anforderungen an die oben genannten stationären Brennstoffzellensysteme ähnlich: Um Kunden-Akzeptanz zu erlangen, müssen sich die Systeme durch eine Lebensdauer von mindestens 40.000 Betriebsstunden auszeichnen, in denen Sie zuverlässig betrieben werden können. Weiterhin sind in Deutschland die Systemkosten von ungefähr 1200 - 2000€/kW_el ein wichtiges zu erreichendes Ziel, damit die Brennstoffzellen-Heizgeräte mit etablierten Technologien überhaupt konkurrieren können. Tabelle 1 fasst diese Anforderungen für die drei wichtigen Märkte Deutschland, USA und Japan für stationäre PEFC Systeme im 1 kW_el bis 5 kW_el Bereich zusammen.

	Zielkosten 2015	Ziel-Lebenszeit 2015
Deutschland	1200-2000 €/kW	40.000 h
USA [1]	550 US$/kW	40.000 h
Japan [2]	0.5-0.7Mio ¥/kW	40.000h - 90.000h
Tabelle 1:Zielwerte für PEFC System Kosten und Lebenszeit für das Jahr 2015 in Deutschland, USA und Japan.

Da die momentanen Brennstoffzellen-Heizgeräte und die meisten der verbauten Komponenten typischerweise nicht massen-gefertigt sondern eher in Entwicklungsmanufakturen gebaut werden, liegen die Systemkosten heute ungefähr eine Größenordnung höher als die o.g. Zielwerte. Weiterhin sind die bisher errichten Standzeiten systemunabhängig auch nur im Bereich zwischen 10.000 und 20.000 Betriebsstunden anzusiedeln. Trotzdem ist festzustellen, dass die Systemlebenszeiten in den letzten Jahren bereits signifikant verlängert werden konnten und eine weitere Verbesserung bis 2015 ist in allen Fällen zu erwarten.

Neben der noch mangelnden Fertigungstechnologie zur Herstellung grosser Stückzahlen gilt es, auch im Forschungs- und Entwicklungsbereich neue Erfolge zu erzielen. Für PEFC Systeme ist hier sicherlich eine Reduktion des Katalysator-Edelmetallgehalts im Brennstoffzellenstack zur weiteren Kostenreduktion zu nennen. Weiterhin muss die Komplexität der Systeme verringert werden, da jedes nicht benötigte Bauteil in weniger komplexen Geräten die Zuverlässigkeit erhöht. Ein Schritt in diese Richtung ist durch eine Erhöhung der Betriebstemperatur in HT-PEFC gelungen, da dadurch die gesamte Erdgas-Aufbereitung und Befeuchtung der Stacks vereinfacht werden kann. Allerdings ist eine Erhöhung der Betriebstemperatur immer mit Fragen der Materialstabilität verbunden. In SOFC Systemen ist sicherlich genau diese Fragestellung von grosser Bedeutung. Häufige Last- und Temperaturzyklen führen zu einer großen Belastung speziell der Stackmaterialien und damit zu Degradation, welche in zukünftigen Systemen verringert werden muss.

Schon seit einigen Jahren werden Prototypen und Geräte aus Kleinserien in Feldtests erprobt. Das Interesse gilt momentan einem großen Feldtestprojekt, welches unter dem Namen Callux - Praxistest Brennstoffzelle für das Eigenheim firmiert, eines vom NOW (Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie) 2009 ins Leben gerufene Projekt mit einem geplanten Volumen von 86 Mio. €, in dem bis zum Jahr 2012 ca. 800 Brennstoffzellen-Heizungssysteme installiert werden sollen. Die Planung besagt, dass diese Systeme bis mindestens 2015 betrieben werden sollen. Unter dem Dach des Callux-Projektes arbeiten verschiedene Energieversorgungs-unternehmen und Brennstoffzellen-Hersteller zusammen. Ziel des Callux-Projektes ist nicht nur eine Technologie-Demonstration, welche eine Weiterentwicklung von Feldtestgeräten bis hin zur Marktreife ermöglicht, sondern soll auch der Aufbau von Lieferketten die Kosten der Geräte reduzieren. Im Projekt sollen sowohl PEFC-Systeme (Nieder- und Hochtemperatur) als auch SOFC-System installiert werden. Dieses Projekt und sein erfolgreicher Verlauf gilt als Meilenstein in der Entwicklung von Brennstoffzellen-Heizgeräten, da in großem Umfang Systeme in realer Umgebung unter alltäglichen Bedingungen erprobt und wichtige Erkenntnisse zur endgültigen Markteinführung gewonnen werden können.

Schlauer Fuchs

Unser Schlauer Fuchs diese Woche ist Thomas H. aus Dresden. Zur Frage: Nach welchem Prinzip arbeitet die Brennstoffzelle? Schickte er uns die erste richtige Antwort. Bitte sehen Sie bis zur Veröffentlichung des nächsten Beitrags mit einer neuen Frage von einer E-Mail-Antwort an schlauerfuchs@gdch.de ab.

	Kontakt Dr. Thomas J. Schmidt Director R&D BASF Fuel Cell GmbH 65926 Frankfurt am Main Tel.: +49 (0)69 305-29303 Fax: +49 (0)69 305-82838 E-Mail: Thomas.Justus.Schmidt@basf.com	Literaturhinweise [1] US Department of Energy, www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/systems.html [2] K.Yasuda, S.Myata, Durability Targets for Stationary and Automotive Applications in Japan, in Polymer Electrolyte Fuel Cell Durability, F.N. Büchi, M.Inaba, T.J.Schmidt, Springer (2009),489 [3] Fuel Cells Bulletin 12 (2009) 12-16