Ein Riesenschritt zur Kommerzialisierung der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen für Haushalte
Vor einem Jahrzehnt klang die Erzeugung von Elektrizität und Wärme ohne Umweltverschmutzung und mit deutlich weniger Treibhausgasemissionen zu gut, um sich für Anwendungen in Privathaushalten zu bewahrheiten. Heute sind stationäre Brennstoffzellen als Teil von Mikro-KWK-Anlagen für die Stromerzeugung und die Kogenerierung von Wärme eine vielversprechende Alternative zu Verbrennungsmotoren.
Sinkende Kosten für die Hauptbestandteile der Brennstoffzellen
Unter den verschiedenen Arten der Mikro-KWK können Brennstoffzellen-KWK-Anlagen einen Wirkungsgrad von 90 % erreichen (60 % elektrisch und der Rest thermisch). Aufgrund ihres niedrigen Wärme-Kraft-Verhältnisses sind sie gut für den sich entwickelnden Trend in Haushalten – zu höherem Stromverbrauch und geringem Raumheizenergiebedarf – geeignet. Trotz ihres großen Potenzials für einen Einsatz im Wohnbereich haben Mikro-KWK-Anlagen die kommerzielle Anwendungsreife noch nicht erreicht. Neue Fortschritte, die durch das EU-finanzierte Projekt HEATSTACK eingeführt wurden, scheinen zur Bewältigung hoher Kapitalkosten beizutragen, die bisher die kommerzielle Einführung der Technologie verhindert haben. Das Hauptaugenmerk lag auf der Senkung der Produktionskosten der beiden teuersten Komponenten des Brennstoffzellensystems: des Brennstoffzellenstacks und des Wärmetauschers, die den größten Teil der Investitionskosten für die Brennstoffzelle ausmachen. Die Forschenden bauten auf dem Erfolg eines hochmodernen Mikro-KWK-Systems auf, das einen vom Projektpartner Sunfire entwickelten Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC)-Stack verwendet. Bislang wurde dieses System im Rahmen von europaweiten Initiativen zur Einführung von Mikro-KWK mit Brennstoffzellen in Privathaushalten in umfangreichen Feldversuchen getestet und ist eine der vielversprechendsten SOFC-Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien, die kurz vor dem kommerziellen Einsatz steht. Das System verwendet einen innovativen Kathodenluftvorwärmer. Dieser basiert auf einem neuartigen Gas-zu-Gas-Wärmetauscher der den Brennstoffzellenstack mit Luft einer bestimmten Temperatur versorgt. Durch die Senkung der Kosten für den SOFC-Stack und den Kathodenluftvorwärmer wird die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzelle kostengünstiger und für den Markt attraktiver.
Automatisierung manueller Aufgaben
„Das Mikro-KWK-System „Sunfire-Home“ bietet eine effiziente Kraft-Wärme-Kopplung für Wohnhäuser und wird mit kostengünstigen Brennstoffen betrieben – entweder Flüssiggas oder Erdgas“, erklärt Projektingenieur Frank Mittmann. Um die Serienproduktion zu erreichen, müssen mehrere Prozesse automatisiert werden. Einer dieser Prozesse besteht darin, manuelle Arbeit zu eliminieren und die Glasversiegelung automatisch auf die SOFC-Stackwiederholungseinheiten aufzutragen. „Im Zuge von HEATSTACK hat Sunfire den Prozess für das Drucken der Glaspaste auf die Wiederholungseinheit mithilfe einer Stufenschablone optimiert und damit 10 % der Gesamtkosten des SOFC-Stacks eingespart“, fügt Mittmann hinzu. Die Forschungs- und Entwicklungsingenieurinnen und -ingenieure stellten zehn Prototyp-SOFC-Stacks mit bedrucktem Glas her und führten gründliche Tests hinsichtlich ihrer mechanischen Kompatibilität, elektrischen Eigenschaften und Langzeitstabilität durch. Der optimierte SOFC-Stack wurde in die Mikro-KWK-Geräte der Produktlinie Sunfire-Home integriert. Weitere Leistungstests auf Systemebene wurden durchgeführt, die zeigen, dass die von HEATSTACK demonstrierten Technologien serienreif sind.
Verwendung von AluChrom im Kathodenluftvorwärmer
Die Projektforschenden entwickelten Werkzeuge und Verfahren, welche die Herstellungszeit von Kathodenluftvorwärmern von 9 auf 2,5 Stunden reduzierten. Sie wiesen auch eine beträchtliche Verringerung der Chromverdampfung nach, nachdem sie eine Widerstandsheizlegierung namens AluChrom anstelle von Inconel 625 für die Wärmetauscherplatten im Kathodenluftvorwärmer verwendet hatten. Die Vorwärmbehandlung des AluChrom verlängerte die Lebensdauer der SOFC und reduzierte damit die Gesamtwartungskosten.
Schlüsselbegriffe
HEATSTACK, Mikro-KWK, SOFC, Kraft-Wärme-Kopplung, Brennstoffzellenstack, Wärmetauscher, Festoxid-Brennstoffzelle, Kathodenluftvorwärmer
