View - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

10 2 Grundlagen
__________________________________________________________________________________________
2.2.3 Vergleich mit konventionellen Kraftwerken
Die potentiellen Vorteile von Brennstoffzellen gegenüber heutigen konventionellen Kraftwerken
sind ein höherer elektrischer Wirkungsgrad und geringere Schadstoffemissionen. Der hohe
elektrische Wirkungsgrad wird erreicht, weil die chemische Energie der Brennstoffe in der
Brennstoffzelle direkt in Elektrizität umgewandelt wird. Im Gegensatz dazu wird die chemische
Energie in herkömmlichen Wärmekraftmaschinen, wie Verbrennungsmotoren oder
Gasturbinen, über Umwege, zunächst durch Verbrennung in thermische, dann in mechanische
Energie und schließlich in elektrische Energie umgewandelt. Der maximale Wirkungsgrad,
also das Verhältnis zwischen nutzbarer und brennstoffinhärenter Energie, eines reversiblen
Carnot-Prozesses ergibt sich, wie in Abschnitt 2.1 dargelegt zu
T
k
1
(2.6)
Th
wobei T k die Temperatur der Wärmesenke und T h die Temperatur der Wärmequelle ist. Der
Wirkungsgrad ist also umso höher, je höher die Verbrennungstemperatur des Brennstoffs ist.
Im Betrieb mit konstantem T k (Raumtemperatur) und einer Verbrennungstemperatur von T h =
1300°C kann somit nach (2.6) ein theoretischer Wirkungsgrad von 81,5% erreicht werden.
Der theoretische Wirkungsgrad kann in Kraftwerken aufgrund irreversibler Dissipationsprozesse
jedoch nicht erreicht werden. Moderne Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke erreichen
einen maximalen Wirkungsgrad von ca. 60% [11], ältere Braunkohle-Kleinkraftwerke, insbesondere
im Teillastbetrieb, zum Teil nur ca. 30% [3].
Bei Brennstoffzellen ist der Wirkungsgrad im Unterschied zu konventionellen Kraftwerken
nur dadurch begrenzt, dass ein Teil der Energie eine Entropieänderung S verursacht. Er ergibt
sich aus dem Quotienten aus nutzbarer freier Reaktionsenthalpie (Gibbs`sche Energie)
G und zugeführter Reaktionsenthalpie H
H
TS
G
(2.7)
H
H
wobei G die freie Enthalpie, S die Entropieänderung, H die Enthalpieänderung und T die
Temperatur ist. Damit kann der theoretische elektrische Wirkungsgrad je nach Brenngas bis
zu 100% betragen. In realen Systemen kann dieser jedoch ebenfalls nicht erreicht werden.
Ohmsche Verluste, Verluste auf Grund unvollständiger Brenngasnutzung sowie Verluste
durch andere Systemkomponenten reduzieren den Systemwirkungsgrad. Eine detailliertere
Betrachtung hierzu findet sich z. B. bei Minh und Takahashi [12] oder Vielstich [13]. Der reale
Wirkungsgrad von Brennstoffzellensystemen ist jedoch im Allgemeinen auch bei Kleinanlagen
oder im Teillastbetrieb höher als der von konventionellen Wärmekraftmaschinen. Deshalb
werden sie besonders für die dezentrale Energieversorgung und mobile Anwendungen
als geeignet angesehen.
Abb. 2.4 zeigt eine Übersicht realer Wirkungsgrade verschiedener konventioneller Kraftwerkstypen
sowie unterschiedlicher Brennstoffzellensysteme im Leistungsbereich zwischen
10kW und 1GW. Verglichen werden Gasmotor und Gasturbine mit der Polymermembran-
Brennstoffzelle (PEFC), der Phosphorsauren Brennstoffzelle (PAFC), der Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle
(MCFC) und der oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC), sowie mit