Erstes Kraft-Wärme-Kälte-Kraftwerk (Brennstoffzellen-Tri-Generator) seiner Art lässt auf beträchtliche Energie-, Emissions- und Kosteneinsparungen hoffen
Fast die Hälfte der weltweit genutzten Primärenergie wird zur Bereitstellung von elektrischem Strom oder Heiz- und Kühlenergie genutzt. Der Großteil dieser Energie wird aus zentralen Kraftwerken bezogen, welche bis zu 70 % der verfügbaren Energie ungenutzt lassen. Damit sind Kraftwerke in hohem Maße ineffizient. Sie verursachen hohe CO2-Emissionen sowie unnötig hohe Betriebskosten. Diesen Problemen könnte begegnet werden, fände ein Umstieg von herkömmlicher zentralisierter Stromerzeugung auf effiziente dezentrale Mikrostromerzeugung statt. Einen in dieser Hinsicht vielversprechenden Ansatz stellt die Nutzung einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC, solid oxide fuel cell) dar. Bei der hier zum Einsatz kommenden Technologie reagieren Wasserstoff und Sauerstoff in einer elektrochemischen Reaktion und erzeugen dabei Energie. Einzige Nebenprodukte sind dabei Wasserstoff, Hitze und eine geringe Menge an Kohlendioxid. Wasserstoff kann aus Brennstoffen, die Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten, gewonnen werden, etwa aus Naturgas, dessen Nutzung für die Beheizung von Privathaushalten wie öffentlichen Gebäude weit verbreitet ist. Über einen Zeitraum von drei Jahren arbeitete das TRISOFC-Projektteam an der Weiterentwicklung dieser Technologie, indem es den kostengünstigen, langlebigen Prototypen eines Kraft-Wärme-Kälte-Kraftwerks mit Niedertemperatur-Festoxidbrennstoffzelle entwickelte. Projektkoordinator Dr. Mark Worall von der Universität Nottingham gab detailliert Auskunft zu dem mit Ende Juli offiziell abgeschlossenen Projekt: „Das Team entwarf, optimierte und baute den Prototypen eines LT-SOFC Tri-Generators. Dieser beruhte auf der Integration neuartiger LT-SOFC-Stacks sowie einem feuchteabsorbierenden Kühlungssystem.“ Zusätzliche Komponenten des Systems waren ein Kraftstoffprozessor zur Herstellung von Reformatgasen sowie weitere Anlagen zur Überwachung der elektrischen wie mechanischen „Balance of Plant“ (BoP). Was TRISOFC auszeichnet: Das entwickelte System hebt sich durch einige einzigartige Merkmale deutlich von früheren Modellen ab. Ein besonders hervorstechendes Merkmal ist dabei die Betriebstemperatur, die zwischen 500 und 600 Grad Celsius liegt und damit gegenüber herkömmlichen Festoxidbrennstoffzellen, bei welchen diese zwischen 800 und 1000 Grad Celsius liegt, gering ist. „Das ist wichtig“, merkt Dr. Worall an, „denn so können das BoP-System und andere Anlagenbestandteile, für die eine bestimmte Temperatur benötigt wird, aus vergleichsweise günstigen Werkstoffen hergestellt werden, etwa aus Edelstahl, womit ein hohes Einsparpotenzial an Werkstoffen und Bauteilen entsteht.“ Des Weiteren wurde ein aus nur einer Komponente bestehender Nanoverbundwerkstoff für den Bau der verwendeten Brennstoffzelle verwendet. Entwickelt wurde dieser unter der Forschungsleitung von Professor Binzhu Zhu, der am KTH lehrt und einer der Konsortiumspartner ist. Dieser Verbundwerkstoff kann als Anode, Kathode oder Elektrolyt fungieren und weist damit einzigartige Eigenschaften auf. „Auch hier können Kosten eingespart und die Komplexität des Systems reduziert werden“, hebt Dr. Worall hervor. „Zudem wird die Anlage somit verlässlicher und weniger schadensanfällig.“ Schließlich wurde das System in ein offenes, feuchteabsorbierendes Entfeuchtungs- und Kühlsystem integriert. Dieses sorgt für Wärme, Kühlung und Temperaturspeicherung. Dies stellt einen neuen Ansatz für den Einsatz von Brennstoffzellen dar, dessen großer Vorzug in den besseren Möglichkeiten zur Verwertung entstehender Abwärme besteht (derzeit bleiben 40 bis 50 % der eingesetzten Gesamtenergie ungenutzt). „In unserem System wird die Abwärme der SOFC eingesetzt, um die Lösung wieder anzureichern“, betont Dr. Worall. Dies stellt eine Form der Temperaturspeicherung dar, die es ermöglicht, die Brennstoffzelle dann zu betreiben, wenn keine Kühlung erforderlich ist, und umgekehrt. „Unser System bietet drei wesentliche Vorteile: Zunächst einmal erhöht sich der Umwandlungseffizienz der SOFC von den bisherigen 45 bis 50 % auf möglicherweise bis zu 85 oder 90 %. Zweitens wird, da auf eine elektrische Komfortkühlung verzichtet werden kann, der Bedarf an elektrischer Energie gesenkt (und damit auch der Primärenergieverbrauch und die Kohlendioxidemissionen). Und drittens kommt die Kompressionskältemaschine, für die Arbeitsmedien eingesetzt werden, die bei ihrer Freisetzung ein hohes Erderwärmungspotenzial aufweisen, weniger stark zum Einsatz.“ Das neue LT-SOFC Tri-Generation-System auf dem Prüfstand Das LT-SOFC Tri-Generation-System hat sich eindeutig bewährt. Zwei besonders signifikante Prüfungsergebnisse hebt Dr. Worall besonders hervor: „Bei Tests an zwei 6x6 cm großen LT-SOFCs mit flacher Bauweise konnte eine Leistungsdichte von bis zu 1100mW/cm² und eine Abgabeleistung von 22W bei 530 Grad Celsius nachgewiesen werden. Die Forscher arbeiten derzeit an Stacks mit 200We, und wir sollten dadurch in der Lage sein, eine hohe Abgabeleistung bei niedrigen Temperaturen zu erzielen.“ „Darüber hinaus zeigten Prüfungen am feuchteabsorbierenden Entfeuchtungsystem, dass ein Leistungskoeffizient (COP, coefficient of performance) von über 1,0 erreicht wurde. Der COP ist das Verhältnis der Kühlleistung zum gesamten Energieaufwand und somit ein entscheidender Leistungsparameter. Im Hinblick auf die Gesamtumwandlungszeit ist unser wärmebetriebener Kühler gegenüber anderen Systemen wettbewerbsfähig.“ Die Auswirkungen von TRISCOF Nun da sich das Konzept bewährt hat, sind die nächsten Schritte ein Nachweis der langfristigen Haltbarkeit, eine Produktionssteigerung und die weitere Kostenreduzierung. Dr. Worall und das Team erwarten, dass das unter TRISOFC entwickelte System große Auswirkungen auf verschiedenen Ebenen haben wird: „Dieses System ist der erste Brennstoffzellen-Tri-Generator seiner Art und hat großes Potenzial, die Verwendung verfügbarer Energie zu steigern, die Kosten zu senken, einen Mehrwert zu schaffen, den Primärenergieeinsatz sowie Emissionen zu mindern und eine dezentrale Energieerzeugung zu fördern.“ Eine Gruppe, die am meisten von den Vorteilen profitieren könnte, sind Verbraucher, erklärt Dr. Worall: „Die meisten Gebäude nutzen Primärenergie für Heizung, Kühlung und Elektrizität. Deshalb können Verbraucher durch eine heimische Stromerzeugung möglicherweise vom Verkauf überschüssiger Elektrizität profitieren (abhängig von den örtlichen Energiekosten, Fördergeldern und Gebühren) und die Nachfrage nach Wärme für Warmwasser und Heizung sowie nach Strom zur Kühlung senken. Da wir drei zum Preis von einem erhalten, sollten Verbraucher davon sowohl finanziell als auch im Hinblick auf die Senkung ihres Umwelteinflusses profitieren.“ Das Team ist zuversichtlich, dass das LT-SOFC Tri-Generation-System sowohl als integriertes System als auch als individuelle Komponenten zur kommerziellen Nutzung geeignet ist. „Wir interagieren aktiv mit der Industrie und dem Endnutzer, um benutzerfreundliche, verlässliche und finanzielle Systeme und Subsysteme zu entwickeln“, schließt Dr. Worall ab.TRISOFC http://trisofc.com/
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