von Ralf Dunker

erschienen in Euro Heat & Power 4/2005

Die Installation des „HotModules“ in Krefeld ist eine Besonderheit: Zum ersten Mal in Europa versorgt eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle ein Nahwärmenetz. Die Stadtwerke Dinslaken/Fernwärme Niederrhein und die RWE Fuel Cells möchten damit den Beweis liefern, dass diese Kraft-Wärme-Kopplung mehr vermag als motorische oder turbinengetriebene Blockheizkraftwerke. Beiden ist die Brennstoffzelle überlegen, was den leisen Betrieb und die Energieausbeute angeht. Die Brennstoffzelle hat daher auch auf dem Markt der Nahwärmeversorgung eine gute Chance, sagt Dr. Michael Fübi, Geschäftsführer der RWE Fuel Cells.

Das HotModule ermöglicht eine Ressourcen schonende Energieumwandlung in Kraft-Wärme-Kopplung. Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle kann mit Erdgas oder beispielsweise Biogas und Klärgas betrieben werden. „Damit eignet sich das HotModule neben Industrieanwendungen auch für Kraft-Wärme-Kopplung-Anwendungen bei landwirtschaftlichen Betrieben oder Klärwerken und überall dort, wo wasserstoffreiches Gas verfügbar ist“, sagt Dr. Michael Fübi, Geschäftsführer der RWE Fuel Cells GmbH in Essen. Konzipiert ist das HotModule, das eine Prozesstemperatur von 650 °C erzielt, für Anwendungen mit ganzjährigem Wärme- oder Kältebedarf. Bisherige Installationen in der Industrie, in Krankenhäusern und Telekommunikationseinrichtungen machen deutlich, wie breit die Einsatzfelder der Hochtemperatur-Brennstoffzelle gestreut sind. „Fast alle in Deutschland installierten HotModule-Kraftwerke sind der Öffentlichkeit zugänglich“, so Fübi, „große Glasfassaden geben den Blick auf die Brennstoffzelle frei. Die Anlage im RWE Brennstoffzellen-Pavillon in Essen kann man sogar anfassen.“

Erfahrungen mit Vorserienmodellen, die für maximale Leistungen von 250 kWel und 180 kWth ausgelegt sind, belegen, dass die Technik auf dem Weg zur Serienreife ist. RWE Fuel Cells und der HotModule-Hersteller MTU CFC Solutions, Ottobrunn, planen für die Zukunft die Vermarktung von Brennstoffzellenkraftwerken, die zwischen 200 und 3.000 kW elektrische Leistung und 150 bis 2.250 kW an thermischer Leistung bereitstellen würden.

Erste Serienfertigung schon für 2006 geplant

Ende kommenden Jahres sollen die ersten HotModules in Serie gefertigt werden. Umso wichtiger ist es, weitere Erfahrungen mit Vorserienmodellen zu sammeln, die der Serie zugute kommen. Bisherige Installationen der Hochtemperatur-Brennstoffzelle sind Belege für die effektivste Art der Kraft-Wärme-Kopplung: Der gemessene elektrische Wirkungsgrad liegt bei rund 47 % und damit deutlich höher als bei gängigen KWK-Techniken.

Nahwärmeanwendung liefert neue Erfahrungen

Nun soll sich die Brennstoffzelle auf ein Neues bewähren: RWE Fuell Cells und die Stadtwerke Dinslaken/Fernwärme Niederrhein haben dazu ein europaweit einmaliges Projekt realisiert: Ein HotModule beliefert seit wenigen Monaten das Nahwärmenetz Krefeld-Fischeln. Betrieben wird das 35 Jahre alte Netz durch die Fernwärmeversorgung Niederrhein GmbH, eine Beteiligung der Stadtwerke Dinslaken, die mittlerweile in der ganzen Bundesrepublik aktiv ist. „Die Wärme der Brennstoffzelle reicht aus, um in Sommermonaten die Warmwasserbereitung für 300 der knapp 1.000 Wohnungen sicherzustellen, im Winter genügt die Energie 40 Haushalten zum Heizen“, erklärt Dr. Thomas Götz, Geschäftsführer der Stadtwerke Dinslaken. Den weiteren Wärmebedarf deckt die Kesselanlage, die auch schon zuvor das Netz bediente.

Mit der Installation betreten die Projektpartner neues Terrain, denn das HotModule bewährt sich vorwiegend in Anwendungen, wo die Wärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle auf hohem Niveau genutzt werden kann. Beispiele hierfür sind die Dampfbereitstellung für die Industrie oder die Sterilisation von Operationsbesteck im Krankenhaus. Fübi: „Wir können bei einem Nahwärmenetz zwar das hohe Temperaturniveau nicht nutzen, aber in anderer Hinsicht finden wir hier optimale Bedingungen vor. Bei der Vielzahl angeschlossener Haushalte besteht ein kontinuierlicher Grundbedarf an Wärme, denn ganzjährig wird die Warmwasserversorgung gefordert, in den kalten Monaten kommt die Heizlast hinzu.“ Aus diesem Grund ist die Nahwärmeversorgung eines der Einsatzfelder, das RWE Fuel Cells mit dem HotModule adressieren möchte. Aussichtsreich erachten auch die Sponsoren das Vorhaben: An dem Projekt, das die Fernwärmeversorgung Niederrhein und RWE Fuel Cells maßgeblich finanzieren, beteiligen sich sowohl das Land Nordrhein-Westfalen als auch die MTU-Mutter DaimlerChrysler.

Strategisches Ziel: Nutzung moderner KWK-Techniken

Energiebedarf in Kraft-Wärme-Kopplung zu decken ist für die Fernwärme Niederrhein und die Stadtwerke Dinslaken strategisch wichtig. Götz dazu: „Wir setzen zur Zeit schon rund 300.000 Megawattstunden Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplung ab, die unser Partner Steag AG im Heizkraftwerk Walsum erzeugt. Ferner gewinnen wir in unseren unternehmenseigenen Blockheizkraftwerken Strom und Wärme aus Grubengas und Biomasse. Auch beliefern wir den Flughafen Köln/Bonn aus einer KWKK-Anlage mit Strom, Wärme und Kälte. Jetzt wollen wir die Brennstoffzellen-Technologie im praktischen Betrieb testen. Wir haben als Versorger eine Verantwortung gegenüber der Gesellschaft und der Umwelt. Mit Kraft-Wärme-Kopplung können wir eine effiziente und umweltschonende Versorgung gewährleisten.“

Oft scheitert die KWK-Technik jedoch an ganz banalen Kriterien, zum Beispiel dem Lärm motorischer Blockheizkraftwerke. „Die Brennstoffzelle bietet eine leise Alternative mit hoher Energieausbeute“, so der Stadtwerke-Chef. „Daher wollen wir Brennstoffzellen später gerne in verschiedenen Netzen einsetzen, wenn die Preise sich auf einem niedrigeren Niveau eingependelt haben.“

Mit der Installation in Krefeld-Fischeln möchten der Versorger und RWE Fuel Cells nun Erfahrungen für die Zukunft sammeln. Dazu gehört es auch, die Lasten exakt zu messen. Im Minutentakt werden der Strom- und Wärmebedarf einiger Haushalte und zweier Gewerbebetriebe gemessen. Fübi: „Wir möchten das Verhalten des HotModules im Nahwärmeverbund kennen lernen und so für künftige Anlagen die bestmögliche Auslegung finden.“ Sein Ziel: Die Brennstoffzelle soll weit über 8.000 Betriebsstunden pro Jahr laufen; in den rund zweieinhalb Jahren Betriebszeit müsste das HotModule also etwa 20.000 Stunden absolvieren.

Dezentrale Versorgung entlastet das Stromnetz

Ein Argument für die verbrauchsnahe Strom- und Wärmeerzeugung sieht Götz in der Netzbelastung. Wird der Strom am Bedarfsort erzeugt, sind die Transportverluste geringer und die Netzlast wird insgesamt reduziert. Dass zugleich gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme rund 1.400 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr durch das HotModule gespart werden, steigert die Attraktivität der Brennstoffzellenanlage. Götz sieht hier einen strategischen Vorteil für die Vermarktung der Nahwärme: „Durch die zukunftsweisende und äußerst effektive Erzeugung von Strom und Wärme möchten wir umweltbewusste Kunden für die Fern- und Nahwärmenutzung interessieren.“ Dabei spielten Anlageneffizienz und Preise selbstverständlich eine Rolle: „Je kostengünstiger die Energieumwandlung funktioniert, umso größer ist die Zielgruppe, die wir erreichen.“

Im Vergleich zu konventioneller Technik entstehen beim HotModule rund 30 % weniger Kohlendioxid. Stick- und Schwefeloxide entstehen gar nicht. Aus diesem Grund wird das Abgas nach der Emissionsschutzrichtlinie TA Luft als Abluft bezeichnet. Ähnlich gute Werte sollen sich auch bei der Verwendung von Deponie- oder zum Beispiel Klärgas ergeben. Den Beweis will RWE Fuel Cells im Laufe dieses Jahres mit einem weiteren zukunftsweisenden Projekt antreten: Im kommunalen Abwasserwerk Ahlen soll ein HotModule das im Abwasserwerk entstehende Klärgas nutzen. Mit der Wärme wird vor allem der Faulturm betrieben, der aus Klärschlamm Klärgas macht. Die restliche Wärme dient dem Heizen von Büro- und Betriebsgebäuden. Der mit dem HotModule produzierte Strom deckt den Eigenbedarf des Klärwerks, Überschuss wird in das öffentliche Netz eingespeist.

HotModule – Kleinkraftwerk in charakteristischer Zylinderform

Das HotModule, die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle der MTU CFC Solutions GmbH, besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Stahlbehälter mit der Brennstoffzelle, Gasführung, Starteinrichtung, katalytischem Brenner und der Mischkammer. Dazu kommen die Medienversorgung mit Brenngas- und Wasseraufbereitung sowie der Wechselrichter, der den elektrochemisch erzeugten Gleichstrom für die Einspeisung ins Wechselstromnetz aufbereitet. Ein weiterer Teil der Anlage ist für die Wärmeauskopplung zuständig. Durch die Steuer- und Regelungstechnik sowie Hilfsgase zum Anfahren und den Standby-Betrieb wird das System komplettiert.

HotModule und Medienversorgung nehmen bei den derzeit installierten Anlagen mit etwa rund 225 kW rund 8 m in der Länge, 2,5 m in der Breite sowie gut 3 m in der Höhe ein. Die kompakten Maße werden erreicht, weil der Zellstapel (Stack) nicht stehend, sondern liegend angeordnet ist. Alle weiteren Einrichtungen werden getrennt geliefert und aufgestellt.

Als Brennstoff können Gase wie Erd-, Bio- oder Gruben- und Deponiegas genutzt werden, also Gase mit einem hohen Methananteil. Die über zehn laufenden HotModules nutzen – mit Ausnahme eines Dual-Fuel-Systems in Berlin – Erdgas als Brennstoff. Es wird zunächst mit Hilfe zweier Aktivkohlefilter entschwefelt und gelangt dann in einen Wärmetauscher, wo es auf 480 °C aufgeheizt und befeuchtet wird. Im Vorreformer werden anschließend höhere Kohlenwasserstoffverbindungen sowie ein kleiner Teil des Methans katalytisch reformiert. Die eigentliche Reformierung geschieht jedoch im Inneren des Brennstoffzellenstapels, wo Methan in Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegt wird.

In der Brennstoffzelle läuft die elektrochemische Reaktion ab, bei der Strom und Wärme freiwerden: Auf der Kathodenseite wird Luftsauerstoff reduziert und es entsteht ein Elektronenmangel. Die entstehenden Sauerstoff-Ionen bilden mit Kohlendioxid Karbonat-Ionen, die zur Anode wandern. Dort reagieren sie mit Wasserstoff und bilden Wasser und Kohlendioxid. Dabei entsteht ein Elektronenüberschuss – zwischen Anoden- und Kathodenseite bildet sich eine Spannung. Die Arbeitstemperatur der MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) liegt bei zirka 650 °C.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie die MCFC oder die SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) besitzen gegenüber denjenigen mit niedriger Prozesstemperatur zwei entscheidende Vorteile: Bei ihnen geschieht das Reformieren des Brennstoffs in der Brennstoffzelle selbst, weswegen keine aufwändigen externen Reformer benötigt werden und ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Zudem stellen sie Wärme auf hohem Niveau bereit. Beim HotModule kann die heiße Abluft (nachdem das Abgas in der Gasaufbereitung einen Teil seiner Energie für die Brennstoffversorgung abgegeben hat) mit seinen rund 400 °C zur Dampferzeugung oder zum Betrieb von Absorptionskältemaschinen genutzt werden.

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