Speichermedien 24.10.2008, 19:38 Uhr

Brennstoffzellen aus Keramik leben länger

Bei Brennstoffzellen ist die Entwicklung in den letzten Jahren vorangekommen, doch nur mit kleinen Schritten, wie Fachleute einräumen. Jetzt wollen Staxera und Vaillant Komplett-Module für Hausenergiesysteme anbieten, die 40 000 Betriebsstunden laufen.

Die Entwicklung von Brennstoffzellen für einen breiten Markteinsatz kommt nach Ansicht von Michael Stelter vom Dresdner Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) mit deutlichen Schritten voran. Vor allem durch die Bildung von Netzwerken zwischen der angewandten Forschung und Herstellern, wie sie sich im Raum Dresden mit vier Unternehmen und neun beteiligten Forschungsinstituten konzentrieren, biete sich die Möglichkeit, die technologischen Probleme rasch zu lösen.

„Die direkte Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff oder auch aus fossilen Brennstoffen wird in wenigen Jahren eine Standardanwendung in der innovativen Antriebstechnik oder auch in der Haustechnik“, gibt sich Stelter überzeugt.

Bislang scheitert der breite Einsatz von Brennstoffzellen vor allem an drei Gründen: Systeme mit Polymer-Membran-Separatoren bieten nur Standzeiten von wenigen 1000 Betriebsstunden, die sie für einen Dauereinsatz wenig geeignet erscheinen lassen. Dazu kommen hohe Beschaffungskosten von derzeit bis zu 4000 € je kW Leistung und eine relativ geringe Energiedichte. Zwar ist die Entwicklung hier in den letzten Jahren mit kleinen Schritten vorangekommen, doch, so räumen Fachleute wie Stelter ein, die Erwartungen vor Jahren lagen deutlich höher. Eigentlich, schaut man auf die Prognosen von vor zehn, 15 Jahren zurück, müsste heute die Brennstoffzelle längst alltagstauglich und kostengünstig sein.

Für die netzferne Stromversorgung fertigt die bei Chemnitz ansässige Firma Flexiva modulare Brennstoffzellen-Systeme, die sich durch einen breites Temperaturspektrum von –25 °C bis 50 °C im Innen- und Außenbereich verwenden lassen. Joachim Kowitz nennt kleine Selbstfahrmodule in der Lagerwirtschaft, Rollstühle oder auch Back- up-Systeme, die durch die Netzunabhängigkeit schon rentabel einsetzbar sind. Die Brennstoffzellen werden vom hessischen Hersteller Schunk bezogen und dann in Chemnitz entsprechend dem Kundenwunsch als Komplettsystem konfektioniert.

„Die Preise sinken inzwischen deutlich, während gleichzeitig die Standzeit wächst“, sagt Kowitz und nennt für seine Systeme, die bei 50 °C bis 60 °C Betriebstemperatur reinen Wasserstoff verbrennen, etwa 5000 Betriebsstunden. Das reicht immerhin bei nicht kontinuierlichem Betrieb für einige Jahre, doch auch Kowitz räumt ein, dass er einen Massenmarkt wohl erst erreichen könnte, wenn ein weiterer Qualitätssprung gelingt.

Ein Ansatz dafür könnte die Verwendung von keramischen Separatoren sein, für die das IKTS seit 1992 wichtige Forschungsgrundlagen geschaffen hat. Hier wurden für die LTCC-Keramik (low temperature co-fired ceramic) serientaugliche Fertigungsverfahren entwickelt, um in die Plättchen Hohlkanäle und Piezoventile integrieren zu können und die elektrochemisch aktiven Schichten aufzubringen. Inzwischen läuft bei mehreren Herstellern die Serienproduktion der Grundzellen, die mit 10 cm x 10 cm Fläche bereits sehr kompakt sind.

Das Dresdner Unternehmen Staxera, nur einen Steinwurf vom Institut entfernt, wurde vor drei Jahren vom Brennstoffzellen-Hersteller H.C. Stark und Webasto als Joint Venture gegründet. Hier sollten ursprünglich vor allem langlebige Bordstrom- und Klimasysteme für Lkw-Trailer und Wohnmobile entwickelt und produziert werden, was jedoch auf Hürden bei der langen Vorwärmzeit der Zellen stieß.

Inzwischen hat die Enerday GmbH die Anteile von Webasto übernommen, der Schwerpunkt liegt in Dresden auf stationären Modulen für die Gebäude- Energieversorgung, für die seit 2006 Stacks aus den Keramikzellen montiert werden. Die jüngste, auf der Hannover Messe vorgestellte integrierte SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Soft Oxide Fuel Cell) ist derzeit bei einer Leistung von 1 kW zwar noch immer so groß wie ein kleiner Kühlschrank, doch das sei erst der Anfang: „Staxera wird zu einem der weltweit führenden Hersteller aufsteigen“, versichert Geschäftsführer Christian Wunderlich.

In Dresden werden die von H.C. Stark gelieferten Keramikfolien mit dünnen Metall- und Glasplatten beschichtet, um sie zu leistungsstarken Stacks zu stapeln. Dazu sind drei Öfen installiert, weitere sollen folgen. Diese temperaturresistenten Schichten zwischen den Separatoren ermöglichen trotz der hohen Betriebstemperatur von 850 °C einen sicheren Betrieb.

Während im alten Verkaufsprospekt von Staxera noch 1000 Betriebsstunden und 20 Thermozyklen als Lebensdauer garantiert werden, sei die Entwicklung inzwischen bei 12 000 nachgewiesenen Betriebsstunden angekommen, versichert Wunderlich, der sein integriertes Standardmodul zunächst vor allem für den Einsatz in Heizzentralen von Energiespar-Einfamilienhäusern sieht. „Wir arbeiten an einer Lebensdauer von 40 000 Stunden und werden auch die Stärke der Glasschichten weiter reduzieren, damit die Module kompakter werden“, sagt Wunderlich.

Ob sich heute bereits der Kauf eines Brennstoffzellen-Moduls lohnt, für das im September das bundesweite Förderprogramm „Callux“ gestartet wurde, muss der Verbraucher selbst entscheiden. Bis zum Jahr 2011 sollen vor allem die Module, für deren Einsatz in Heiz- und Hausenergiesystemen die Staxera mit dem Hersteller Vaillant kooperiert, zunächst in Feldversuchen getestet und optimiert werden. Die derzeit hohen Preise verspricht Wunderlich mit der beginnenden Großserienproduktion radikal nach unten drücken zu können. MANFRED SCHULZE

Ein Beitrag von:

  • Manfred Schulze

    Manfred Schulze ist freier Journalist für Fachzeitungen Energie, Logistik, Technologie.

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