Energie 06.07.2001, 17:30 Uhr

Brennstoffzelle drängt mit Tempo auf den Markt

Hohe Wirkungsgrade, geringe Emissionen und absehbar sinkende Preise machen die elektrochemische Erzeugung von Strom und Wärme immer attraktiver.

Dietmar Kuhnt ist optimistitisch: „Wir gehen davon aus, dass allein in Deutschland bis 2015 nahezu 65 TWh pro Jahr mit Brennstoffzellen gewonnen werden können, das entspricht annähernd dem Jahresstromverbrauch von Belgien“, erklärt der Vorstandsvorsitzende der RWE AG. Zu diesem Zeitpunkt, so die Prognose von Deutschlands größtem Elektrizitätsversorger, könnte der Strom aus der Zelle über 10 % des Bedarfs von Flensburg bis Passau decken – und bis zu 60 Mio. t Kohlendioxid einsparen, immerhin 7 % des Gesamtausstoßes der BRD.

Die Kommerzialisierung der „kalten Verbrennung“ legt immer mehr an Tempo zu. Weltweit sind inzwischen schon über 1000 Firmen und Forschungsinstitute auf diesem Gebiet tätig. Nach Angaben von Eco-Consult, Brüssel, gibt es weltweit über 150 Demonstrationsprojekte, 21 davon in Deutschland.

Entscheidend für den Durchbruch der Brennstoffzelle ist ihre Wirtschaftlichkeit. „Dieses Ziel sehen wir bei rund 2000 DM pro installiertem Kilowatt erreicht“, erklärt Manfred Remmel, Vorstandsmitglied der RWE AG. Auch Michael Bode, Leiter „Neue Technologien“ bei MTU bestätigt dieses Ziel: „Die Messlatte im Markt liegt hoch, konkurrierende Gasmotoren-Anlagen sind heute für weniger als 1000 Euro pro kW Leistung zu haben.

Das US-amerikanische Energieministerium (DOE) hat deshalb kürzlich ein Forschungsprojekt begonnen, mit dem besonders preiswerte Zellen entwickelt werden sollen: „Der Zellstapel darf nicht mehr als 100 Dollar pro kW kosten“, fordert Otis Mills vom Fossil Energy Technology Center des DOE.

Die Schritte in eine erfolgreiche Zukunft der Brennstoffzelle sind vorgezeichnet: Ab 2004 rechnen Experten mit ersten Fertigungskapazitäten für Massenprodukte, die in Haushalten, Gewerbe und im Verkehr zum Einsatz kommen. 2005 fällt der Startschuss für die breite Markteinführung, ab 2007 stehen erste wettbewerbsfähige Produkte zur Verfügung, die von 2010 an nennenswerte Marktanteile gewinnen. Zu diesem Zeitpunkt prognostiziert Merill Lynch einen Gesamtabsatz von 7 GW per anno für Anlagengrößen unter 2 MW.

Siemens bereitet schon jetzt die Serienfertigung der oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC) vor, die im Oktober 2003 beginnen soll. In etwa fünf Jahren will man eine Produktionskapazität von 100 MW Gesamtleistung erreichen. Nordamerika und Europa gelten als aussichtsreichste Märkte.

Zurzeit konzentrieren sich Unternehmen in ihren F+E-Anstrengungen auf vier verschiedene Grundtypen, die sich einerseits in ihrer Betriebstemperatur, andererseits in ihrem Leistungsbereich unterscheiden. Die niedrigen Temperaturen (60 °C bis 80 °C) werden heute von der Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) dominiert, obwohl hierher auch die alkalischen Typen gehören, die zwar bis in die 70er Jahre dominierten, jetzt aber immer mehr an Bedeutung verlieren.

Wegen ihrer Fähigkeit, sofort nach dem Start elektrische Energie liefern zu können, ist die PEMFC als einzige zum Antrieb von Kraftfahrzeugen geeignet. Für stationäre Anwendungen sind sie schon aufgrund ihrer Kosten weniger prädestiniert, die u. a. von den benötigten Edelmetallelektroden verursacht werden. Zudem ist der feste Elektrolyt sehr empfindlich selbst gegen Spuren von Kohlenmonoxid. Als Brennstoff ist nur Wasserstoff geeignet, bei Einsatz von Methanol oder Erdgas muss er mittels eines externen Reformers gewonnen werden. Der Wirkungsgrad liegt maximal bei 40 %.

Die Phosphorsäure-Zelle (PAFC) im mittleren Temperaturbereich zwischen 160 °C und 220 °C ist derzeit die am weitesten fortgeschrittene Technologie, von der weltweit über 150 Einheiten installiert wurden. „Dennoch stagniert der Markt aus verschiedenen Gründen, wozu der vergleichsweise geringe Wirkungsgrad von 40 % und nur noch 35 % im Laufe des Betriebs sowie die Lebensdauer von nicht mehr als 20 000h zählen“, erklärt Raymond George, Leiter Brennstoffzellentechnik bei Siemens Westinghouse, Pittsburgh (USA). Sowohl die japanische als auch die US-Regierung haben die Förderung für die PAFC reduziert.

Im Hochtemperaturbereich konkurrieren die Schmelzkarbonat- (MCFC, 620 °C bis 660 °C) und die Festkeramik-Brennstoffzelle (SOFC, 800 °C bis 1000 °C) miteinander, die aufgrund ihrer langen Aufheizzeit vor allem für stationäre Zwecke ohne häufige Anfahrvorgänge vorgesehen sind.

Beide Typen bieten dafür eine Reihe von Vorteilen: Sie benötigen keine Edelmetalle und haben kein Problem mit Kohlenmonoxid, das wie die Wasserstoffmoleküle im Prozess oxidiert wird. Für Kraftwerksanwendungen ist von großer Bedeutung, dass der Wasserstoff direkt aus Erd-, Kohle- oder Biogas gewonnen, also intern reformiert wird. Die hohe Abgastemperatur lässt sich mit nachgeschalteten Gasturbinen nutzen, der elektrische Wirkungsgrad verbessert sich dadurch um mehr als zehn Prozentpunkte. Die Gesamteffizienz des Systems steigt durch die Nutzung der Prozesswärme auf etwa 80 %.

Die Hochtemperaturzellen haben mit 65 % bei der MCFC und sogar 70 % bei der SOFC die höchsten Wirkungsgradpotentiale, die noch deutlich über denen kombinierter Gas- und Dampfkraftwerken (derzeit maximal 58 %) liegen. Beide Technologien sind ähnlich weit fortgeschritten und mit Anlagen von 100 bis 250 kW im Feldtest, unter anderem auf dem Essener Meteorit-Gelände der RWE AG. Nach Auffassung vieler Experten ist die SOFC gegenüber der MCFC deutlich weniger anfällig für eine Alterung der Elektroden.

„Langzeittests und Demonstrationsanlagen zeigen, dass unsere Zellen 70 000 bis 80 000 Betriebsstunden erreichen können“, erklärt Thomas C. Voigt, Leiter des Geschäftssegments Stationäre Brennstoffzellen bei Siemens Westinghouse. Fachleute gehen davon aus, dass Siemens bei Systemen größerer Leistung im Bereich einiger 100 kW einen Entwicklungsvorsprung von etwa fünf Jahren und die SOFC deshalb die besten Aussichten hat, als erste den dezentralen Energiemarkt (Blockheizkraftwerke bis zu Einzelhausanlagen) zu durchdringen. KLAUS JOPP

Die Serie wird fortgestzt

Ein Beitrag von:

  • Klaus Jopp

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