Fachhochschule Darmstadt - Heinz Schmidt-Walter

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Hausarbeit: Brennstoffzellen als BHKW 28.6.2005
Fachbereich EUI
Fachhochschule Darmstadt
Hausarbeit: Die Brennstoffzelle als BHKW
Datum: 24.06.2005
Dozent: Prof. Dr. Ing. Heinz Schmitt-Walter
Gruppe : Name, Vorname
Serba, Oliver
Jörg, Andreas
Andreas Jörg (595395), Oliver Serba (554029)

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Hausarbeit: Brennstoffzellen als BHKW 28.6.2005
Die Brennstoffzelle, Grundprinzip:
Die Brennstoffzelle als BHKW
Die Brennstoffzelle kehrt den Prozess der aus dem Schulunterricht bekannten Elektrolyse um.
Erinnern wir uns: bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in die gasförmigen
Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
Die Brennstoffzelle nimmt genau diese beiden Stoffe, Wasserstoffgas und Sauerstoff und wandelt sie
wieder in Wasser. Dabei wird theoretisch die Menge elektrischer Energie wieder abgegeben, die bei der
Elektrolyse zur Spaltung notwendig war. In der Praxis führen verschiedene physikalisch-chemische
Prozesse und innere elektrische Widerstände zu geringfügigen Verlusten.
Man kann also sagen, die elektrische Energie wird im Wasserstoff gespeichert. Mit dem Wasserstoff
haben wir also ein Gas, in dem wir elektrische Energie speichern können, und mit der Brennstoffzelle
produzieren wir daraus wieder elektrischen Strom. Die meisten Brennstoffzellen funktionieren mit Luft, so
dass der Sauerstoff nicht gespeichert werden muss.
Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen, die sich in Aufbau und Funktionsweise unterscheiden.
Exemplarisch soll anhand einer PEM-Brennstoffzelle das grundlegende Arbeitsprinzip beschrieben
werden:
Befindet sich an der Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff, läuft folgender Vorgang ab: Ein
Wasserstoffmolekül wird unter Abgabe von Elektronen in zwei Wasserstoffatome gespalten. Die
entstehenden Wasserstoff-Ionen (H+) wandern durch den für sie durchlässigen Elektrolyten zur Kathode
und oxidieren mit Sauerstoff zu Wasser.
Damit Wasser entstehen kann, werden jene Elektronen benötigt, die vorher an der Anode abgegeben
wurden. Der Elektrolyt stellt aber einen Isolator dar, durch den sich die Elektronen nicht bewegen können.
Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so wandern die Elektroden durch
diesen von der Anode zur Kathode: es fließt ein nutzbarer, elektrischer Strom.
Dieser Prozess läuft kontinuierlich ab solange ausreichend Wasserstoff und Sauerstoff an Anode und
Kathode zur Verfügung stehen.
Andreas Jörg (595395), Oliver Serba (554029)

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Hausarbeit: Brennstoffzellen als BHKW 28.6.2005
Prinzip der Brennstoffzelle
Prinzip der Elektrolyse
Was ist ein BHKW:
Blockheizkraftwerke können sowohl aus herkömmlichen Verbrennungsmotoren als auch aus Mini-
[[Gasturbine]]n und andere Motoren, etwa [[Stirlingmaschinen]], oder aus [[Brennstoffzelle]]n bestehen.
Als [[Kraftstoff]]e kommen vorwiegend relativ preiswerte fossile oder regenerative Kohlenwasserstoffe wie
[[Heizöl]], [[Pflanzenöl]], [[Biodiesel]] (für einen [[Dieselmotor]]) oder [[Erdgas]], [[Biogas]] (für einen
[[Ottomotor]], [[Zündstrahlmotor]] oder eine [[Gasturbine]]) zum Einsatz.
Vorteilhaft ist, dass eine bestehende Heizungsinstallation bei Umstellung auf ein BHKW unverändert
weiterbenutzt werden kann.
Bei Verbrennungsmotoren ist der [[Motorblock]], dessen Abwärme mit Hilfe der [[Kühlflüssigkeit]] in den
Heizkreislauf der [[Zentralheizung|Gebäudezentralheizung]] überführt wird, der Hauptwärmelieferant.
Eine deutliche Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades wird durch Ausnutzung der Abgaswärme
([[Wärmetauscher|Auspuffwärmetauscher]]) erreicht. Blockheizkraftwerke arbeiten durch diese Art der
[[Kraft-Wärme-Kopplung]] mit Wirkungsgraden von bis zu ca. 95 %, abhängig von der jeweiligen
[[Auslastung]].
Kleine BHKWs bis ca. 5 [[Kilowatt|kW]] elektrischer Leistung eignen sich für den Betrieb in
Mehrfamilienhäusern. Große BHKWs mit Schiffsdieselmotoren von ca. 10.000 kW können für die Strom-
und Wärmeproduktion von Wohngebieten und Fabriken verwendet werden.
Randbedingungen für die Auslegung von Blockheizkraftwerken
Die Auslegung des BHKW verfolgt drei Ziele: Es wird eine Minimierung der zur Wärme und
Stromversorgung eingesetzten Brennstoffe und damit eine Reduzierung der Schadstoffemissionen
angestrebt, zugleich muss ein wirtschaftlicher Betrieb des BHKW-Systems gewährleistet werden. Die
Auslegung gliedert sich in drei Schritte: Wärme- und Strombedarfsberechnung für das zu versorgende
Objekt, Simulation des BHKW-Betriebs und Wirtschaftlichkeitsanalyse.
Das Programm BHKW-Plan führt auf der Basis einer umfangreichen Gebäudedatenbank oder
individueller Eingaben eine detaillierte Bedarfsberechnung durch und simuliert in Stundenschritten den
Betrieb des gewählten BHKW-Systems. Ein Vergleich mit der getrennten Erzeugung von Wärme und
Strom gibt Auskunft über die Wirtschaftlichkeit und die Schadstoffreduzierung.
Andreas Jörg (595395), Oliver Serba (554029)

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Hausarbeit: Brennstoffzellen als BHKW 28.6.2005
Wärme- und Strombedarf
Die grundlegenden Parameter für die Auslegung des BHKW sind der Wärme- und Strombedarf. Hierbei
spielt neben dem jährlichen Verbrauch auch das Lastprofil eine entscheidende Rolle, da das BHKW in der
Regel die Grund- und Mittellast des Wärmebedarfes deckt. Ein gleichmäßiger Wärmebedarf mit zeitlich
parallel verlaufendem Strombedarf stellt somit den Idealfall für die BHKW-Nutzung dar, da hier lange
BHKW-Laufzeiten erreicht werden und der produzierte Strom im Objekt selbst genutzt werden kann.
Anhand von Jahresdauerlinien und Tagesganglinien wird die erforderliche thermische bzw. elektrische
Leistung des BHKW ermittelt.
Kosten
Die Wirtschaftlichkeitsanalyse vergleicht die Wärme- und Stromversorgung durch das BHKW mit der
getrennten Erzeugung. Wichtige Einflußgrößen dabei sind:
• Investitionskosten
• Brennstoffkosten
• Betriebskosten
Bewertung des erzeugten Stroms
Ausschlaggebend für die wirtschaftlichkeit des BHKW ist die Bewertung des erzeugten Stroms. Bei
Eigennutzung ergibt sich diese Bewertung aus den vermiedenen Strombezugskosten und hängt somit
vom bisher zu bezahlenden Strompreis ab. Wird der im BHKW erzeugte Strom ins Netz eingespeist,
richtet sich der Erlös nach der Einspeisevergütung; aufgrund der geringen Vergütung ist der eingespeiste
Strom heute immer geringer zu bewerten als der selbst genutzte Anteil. Dies kann sich jedoch künftig
ändern.
Verschieden Maßnahmen werden bereits diskutiert: Einheitliche und höhere Festlegung der Vergütung im
Stromeinspeisegesetz, KWK-Quotenregelung, CO2-Zertifikate und Stromnetzstützungs-Vereinbarungen
werden zu höherer Bewertung des eingespeisten Stroms führen.
Betriebsweise der BHKW-Module
Neben der richtigen Dimensionierung der BHKW-Module hat auch die Betriebsweise einen großen Einfluß
auf ihre Wirtschaftlichkeit und Effizienz. So wird z.B. durch eine stromoptimierte Betriebsweise der Nutzen
des BHKW gesteigert, da ein größerer Anteil des erzeugten Stroms im Objekt selbst verbleibt. Durch die
Einbindung des BHKW-Systems in eine dezentrale Energieversorgungsstruktur kann die Wirtschaftlichkeit
noch erheblich gesteigert werden, da direkt auf Angebot und Nachfrage im Stromnetz reagiert werden
kann. Die Ausgestaltung des gesamten BHKW-Systems mit Wärmespeicher, Spitzenkessel und u.U.
mehreren parallel geschalteten Modulen und die Einbindung in ein Versorgungsnetz wird anhand von
Simulationen optimiert.
Auslegung von Blockheizkraftwerken mit BHKW-Plan und MiniBHKW-Plan
Die Wirtschaftlichkeit eines BHKW hängt von zahlreichen Randbedingungen ab, die im vorherigen
Abschnitt aufgezeigt wurden. Um einen schnellen Überblick über den zu erwartenden Nutzen eines
BHKW zu verschaffen, wurde das Programm MiniBHKW-Plan entwickelt, das für BHKW mit kleiner
Leistung bis 100 kWth eineWirtschaftlichkeitsanalyse durchführt und die Brennstoffeinsparung und
Schadstoffreduzierung berechnet.
Um eine zukünftig wachsende Nachfrage nach Mini-BHKW bedienen zu können und eine große
Verbreitung zu erreichen, müssen Handwerker, Heizungsbauer und Heizungsplaner in die Lage versetzt
werden, Planung, Auslegung und Installation der Mini-BHKW zu übernehmen. MiniBHKW-Plan richtet
sich an diese Zielgruppe und stellt dem Handwerk ein einfaches, schnelles und effizientes Instrument zur
Planung und Auslegung zur Verfügung.
Andreas Jörg (595395), Oliver Serba (554029)

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Hausarbeit: Brennstoffzellen als BHKW 28.6.2005
Praxis: Anwendung der Brennstoffzelle als BHKW
Herkömmliche Blockheizkraftwerke sind mit einem Generator ausgestattet. Stattdessen kann man auch
auf Brennstoffzellen zurückgreifen. Da sie den Strom direkt aus dem Energieträger erzeugen, entfällt in
einer solchen Anordnung der Stromgenerator.
Brennstoffzellengeräte sind somit für vielfältige stationäre Anwendungen interessant. Sie versorgen Ein-
oder Mehrfamilienhäuser, Gewerbebetriebe und Hotels mit Strom und Wärme und können als
Blockheizkraftwerk ganze Gebäudekomplexe mit Hunderten von Haushalten versorgen. Alle
Leistungsklassen von einigen Watt bis in den Megawattbereich lassen sich abdecken.
Je nach verwendetem Betriebsgas werden, wie bei den Brennstoffzellen-Fahrzeugen auch, Brennstoff-
Reformer benötigt, die das Gas aufbereiten.
Die Funktion und den Aufbau eines Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerks kann man schematisch
darstellen:
Vorteile von Brennstoffzellen:
Brennstoffzellen sind Schlüsseltechnologien. Sie verändern die Energieversorgung grundlegend,
und helfen damit, ökologische Herausforderungen zu meistern und ökonomische Chancen zu nutzen.
Brennstoffzellen stellen in stationären, mobilen und portablen Systemen für einen breiten
Anwendungsbereich effizient und daher umweltfreundlich Energie bereit.
Brennstoffzellen haben in verschiedensten Leistungsklassen selbst im Teillastbereich je nach Größe
einen sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad bis deutlich über 50% und bei Nutzung der Wärme einen
Gesamtnutzungsgrad von bis über 90%.
Zur Versorgung der Brennstoffzellen eignen sich fossile und erneuerbare Brennstoffe. Erdgas,
Flüssiggas, Kohlegas, Biogas, Methanol und Wasserstoff sind flexibel einsetzbar. Die
Energieumwandlung in Brennstoffzellen führt zu einer optimalen Nutzung der Primärenergie und
vermeidet Treibhausgasemissionen. Minimale Schadstoff- und Lärmemissionen von Brennstoffzellen
ermöglichen den uneingeschränkten dezentralen Einsatz in sensiblen Bereichen bspw. in
Ballungsräumen direkt beim Verbraucher. Die intensive Entwicklung und beschleunigte Markteinführung
der Brennstoffzellen - Technologie führt zu hoher Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie und
Forschung auf dem nationalen Markt sowie auf den globalen Märkten und sichert damit hochwertige
Arbeitsplätze.
Andreas Jörg (595395), Oliver Serba (554029)

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Hausarbeit: Brennstoffzellen als BHKW 28.6.2005
Stand der weltweiten Entwicklung
Viele Firmen, von kleineren Unternehmen bis hin zu global aktiven Konzernen, erproben derzeit
Brennstoffzellensysteme und erhalten hieraus wichtige Informationen für den späteren Einsatz
zuverlässiger und wirtschaftlicher Produkte. Zur stationären Strom- und Wärmeversorgung sind bis Ende
2003 rund 2.500 Anlagen installiert worden. Mehrere Hersteller aus der Heiztechnik- und der
Energieanlagenbranche testen aktuell weltweit ihre Brennstoffzellenanlagen direkt beim Kunden. Im
letzten Jahr waren bereits etwa 350 Brennstoffzellen-Fahrzeuge im Einsatz. 30 Stadtbusse bewähren sich
in zehn europäischen Städten im Alltagsbetrieb.
Weltweit werden Brennstoffzellen in allen Anwendungen demonstriert, erprobt und auch bei uns
erfolgreich eingesetzt. Zu wenige der Brennstoffzellen-Systeme werden allerdings bisher in Deutschland
hergestellt.
Stand der nationalen Entwicklung
Deutschland ist z.Zt. noch ein führender Know-how-Träger im Bereich der Brennstoffzellen-Technologie.
Dies beginnt bei der Forschung und geht über die Komponenten- und Systementwicklung bis hin zum
Betrieb und der Zertifizierung von Brennstoffzellen. Deutsche Unternehmen und Institute sind Pioniere in
allen Bereichen: In der Industrieanwendung sind die
Firmen
Beispiel das Konzept von Vaillant:
Andreas Jörg (595395), Oliver Serba (554029)
Am Anfang war die Idee: für jedes Haus eine eigene kleine
Brennstoffzellen-Einheit, die Strom, Heizenergie und Warmwasser erzeugt.
Die Vaillant Brennstoffzellen-Heizgeräte realisieren diese Vision. Möglich
wird das, indem der umweltfreundlichste klassische Energieträger, das
Erdgas, mit den Brennstoffzellen kombiniert wird.
Strom und Wärme
Das Brennstoffzellen-Heizgerät wird an das Erdgasnetz angeschlossen.
Zusammen mit Wasserdampf und Luft strömt das Erdgas in den Reformer
und wird zu wasserstoffreichem Gas, dem Reformat, umgewandelt. Es
gelangt zum Brennstoffzellen-Stapel, wird dort befeuchtet und reagiert mit
dem Luftsauerstoff: Elektrische Energie und Wärme entstehen. Ein
Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in haushaltsüblichen
Wechselstrom um. Die entstehende Wärme geht in den Heizkreis.
Plus und Minus
Kernstück der maßstabsetzenden Technologie ist die PEM*-Zelle, in der elektrochemisch Wasserstoff H2
und Sauerstoff O2 zu reinem Wasser H2O reagieren. An der Anode gibt der Wasserstoff seine Elektronen
ab, durchdringt die Elektrolytmembran und verbindet sich auf der Kathodenseite mit dem Sauerstoff.
Wichtig dabei: Die Elektrolytmembran ist nur für die Wasserstoff-Protonen H+ durchlässig. Die
abgegebenen Elektronen werden gezwungen,den Umweg über den Stromkreislauf zu nehmen: Strom
fließt, Wärme wird genutzt.
Zukunft und Zunft
Das Brennstoffzellen-Heizgerät sorgt für neue Energie –auch bei der Geschäftsentwicklung des
Fachhandwerks. Die gleichzeitige Strom- und Wärmeversorgung eröffnet ein breiteres
Leistungsspektrum. Ohne nennenswerten Mehraufwand. Das Gerät lässt sich in vorhandene
Installationen integrieren und ist auf Kundenservice programmiert: So garantiert z.B. die Kombination mit
einem Fernüberwachungssystem höchste Servicequalität. Und die leichte Installation ist bei Vaillant
ohnehin Ehrensache.

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Hausarbeit: Brennstoffzellen als BHKW 28.6.2005
Phasen der Markteinführung
Die Markteinführung ist ein komplexer Prozess aus mehreren, sich rückkoppelnden Schritten. Bereits
während der Entwicklungs- und Erprobungsphasen ist es
erforderlich, die anschließende Marktaufbauphase gezielt
vorzubereiten. Ohne Erfahrung aus dem Markt ist
anwendungsorientierte F&E nicht möglich. Dies gilt
insbesondere bei neuen Technologien, da die
Innovationszyklen im Frühstadium sehr schnell sind. Ohne
begleitende F&E können die Kosten der Markteinführung nicht
reduziert werden. F&E, Felderprobung und
Markteinführungsprogramme müssen ineinander greifen.
Entscheidend für einen langfristigen Erfolg ist eine intensive
Rückkopplung der in Feldversuchen und im Markt
gewonnenen Erfahrungen hinein in die Forschung und
Entwicklung der Technologien der nächsten Generation, die dann wiederum erfolgreich kommerzialisiert
werden muss.
Hoher Forschungs- und Entwicklungsbedarf
Zur Markteinführung der Brennstoffzellen ist massive Unterstützung bei Forschung und Entwicklung nötig.
Trotz enormer Fortschritte im F&E Bereich, insbesondere auch durch deutsche Institute und Firmen, sind
Materialien sowie Produktionstechnik weiterhin Bereiche mit größten Kostenreduktionspotentialen. Dazu
zählen Hochtemperaturmembranen und Katalysatoren für die PEM-Brennstoffzelle, korrosionsbeständige
Hochtemperaturwerkstoffe Beschichtungen und Dichtungen für die MCFC, Materialien mit reduzierter
Arbeitstemperatur und Temperaturwechselbeständigkeit bei der SOFC, sowie Wasserstofferzeugung
durch Mikroorganismen und reversible chemische Wasserstoffspeicher. Parallel dazu müssen Prozesse
und Verfahren entwickelt werden, mit denen die Materialien
optimal verarbeitet werden können. Der Produktionstechnik
kommt dabei neben der Materialentwicklung eine
Schlüsselfunktion zu. Die Prozesse beeinflussen dabei
nachhaltig die Qualität, die Lebensdauer, Zuverlässigkeit
sowie die Verfügbarkeit der Brennstoffzellensysteme. Zur
effizienten Produktentwicklung und Anwendung müssen
auch innovative Fernwartungsmethoden entwickelt und
optimiert werden. Die Leistung von Brennstoffzellen lässt
sich auch durch Druckaufladung erhöhen. Um diese und
weitere für die Markteinführung substantiellen F&E-Aufgaben
erfolgreich zu lösen und den hohen Stand bei F&E in
Deutschland zu erhalten, müssen Politik und Industrie den
Bereich besonders unterstützen, mit Programmen, die auf die Schwerpunkte gerichtet sind. Im Rahmen
globaler Märkte sind auch hier internationale Kooperationen sinnvoll, um die nationale Position zu
stützen.
Hemmnisse in Deutschland
Im internationalen Vergleich gibt es in Deutschland zu wenig nationale Koordination und eine viel zu
geringe politische Flankierung der Markteinführung von Brennstoffzellen. Forschungs- und
Entwicklungsvorhaben und deren Ergebnisse werden zu wenig mit Unternehmen, Verbänden und
Initiativen abgestimmt. Im Vergleich zu den USA gibt es in Deutschland kaum Venture Capital.
Hochinnovative KMU haben kaum Zugang zu Investitionsmitteln. Mangelnde Koordinierung der
Maßnahmen und Aktivitäten im Bereich Brennstoffzellen und das Fehlen einer konzertierten Strategie
verschleppen die Markteinführung und führen zu Zurückhaltung von Industrieunternehmen und KMUs.
Deutschland braucht deshalb eine stringente Strategie zur Markteinführung von Brennstoffzellen.
Andreas Jörg (595395), Oliver Serba (554029)

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Hausarbeit: Brennstoffzellen als BHKW 28.6.2005
Markteinführungsszenario für Deutschland
Die deutsche Brennstoffzellenindustrie hat Szenarien für die verschiedenen Anwendungen entwickelt.
Unter der Voraussetzung der industriellen und politischen Unterstützung können ambitionierte Ziele
erreicht werden. Aufbauend auf den aktuellen Feldtests will die deutsche Industrie stufenweise in die
kommerzielle Phase einsteigen.
Im Bereich der stationären Stromerzeugung für die industrielle Anwendung kann ab dem Jahr 2006 mit
Unterstützung durch Industrie und Politik die
erste Serienfertigung mit einer Kapazität von
jährlich 15 MW gestartet werden.
2010 könnten bei politischer Flankierung mit
einem industriepolitischen Instrument ca.
320 MW installiert werden. Bis zum Jahr
2015 kann die jährliche Produktion unter
günstigen Rahmenbedingungen sogar auf
ca. 1,3 GW pro Jahr erhöht werden.
Für die Hausenergieversorgung können in
der Periode von 2008-2010 die ersten
Anlagen mit Stückzahlen von einigen
Tausend gefertigt werden. Mit Beginn der
kommerziellen Markteinführung ab 2010
können in der Periode 2010-2015 mit Hilfe
von Markteinführungsprogrammen einige
zehntausend Anlagen installiert werden.
Ab dem Jahr 2015 kann sich die Zahl auf
einige Zehntausend Einheiten pro Jahr erhöhen. Die Automobilindustrie hat aktuell auch in Deutschland
mit der Erprobung der Alltagstauglichkeit in kleinen Flotten begonnen. Die Erhöhung von Zuverlässigkeit
und Reduktion der Produktkosten stellen die Basis für die nächste Fahrzeuggeneration dar, die im
Rahmen von sog. europäischen Leuchtturmprojekten und gefolgt von kommerziellen Flotten umgesetzt
wird. Parallel dazu muss die Betankungsinfrastruktur kontinuierlich ausgebaut werden. Ab 2015 wird eine
breite, flächendeckende Markteinführung angestrebt. Portable Brennstoffzellen werden bei
entsprechenden Investitionen in den nächsten Jahren über eine begrenzte Serienproduktion in nicht
preisempfindlichen Nischenmärkten (z.B. Camping, Boote etc.) als erstes in die kommerzielle Phase
eintreten.
Vergleich von Brennstoffzellen-BHKW und herkömmlichen BHKW
PEM PAFC MCFC SOFC Diesel Sterling
Elektr. Wirkungsgrad [%] 35 40 45-50 45-50 35 30
Performance Abnahme [%/1000h] >1 0,44 0,6