Das Solar-Wasserstoff-Projekt in Neunburg vorm Wald

Das Solar-Wasserstoff-Projekt in
Neunburg vorm Wald
Schriftenreihe Solarer Wasserstoff
Solar-Wasserstoff-Anlage Nr. 26
Manuskript vom 06.07.1999
Schritte zu einer (Solar-) Wasserstoff-Energiewirtschaft.
13 erfolgreiche Jahre Solar-Wasserstoff-
Demonstrationsprojekt der SWB in
Neunburg vorm Wald, Oberpfalz
Axel Szyszka
Zusammenfassung
In Neunburg vorm Wald, Oberpfalz,
wurden in einer Demonstrationsanlage
in industrieller Größenordnung wichtige
technische Systeme einer möglichen
künftigen (Solar)- Wasserstoff-
Energiewirtschaft errichtet, wobei erste
Schritte eines Übergangs aus der
derzeitigen, vornehmlich fossil
ausgerichteten Energieversorgung
berücksichtigt sind. Die Solar-
Wasserstoff-Anlage umfaßt u.a. (meist
als Prototypen, teilweise in
unterschiedlichen Technologien)
photovoltaische Solargeneratoren,
Wasserelektrolyseure, H2-/O2-
Speicherung, katalytische und
fortgeschrittene konventionelle
Heizgeräte, eine katalytisch beheizte
Absorptionskälteanlage, stationäre und
mobil eingesetzte
Brennstoffzellenanlagen, eine
automatische LH2-Tankstelle f ür
Testfahrzeuge sowie eine Tankstelle f ür
gasförmigen Wasserstoff.
Untersuchungsschwerpunkte des
Vorhabens sind das Verhalten der
Anlagenteilsysteme sowie ihr
gegenseitiges Zusammenspiel unter
praxisorientierten Langzeit-
Betriebsbedingungen. Die
Auswertungen schaffen eine
Datenbasis zur belastbaren Beurteilung
von Chancen und Herausforderungen
einer (Solar-) Wasserstoff-
Energiewirtschaft.
Die Solar-Wasserstoff -Anlage mit
Infozentrum wurde bisher von ca.
130.000 Personen aus über 100 Ländern
besucht, darunter etwa 1/3 Fachleute.
Dieser Beitrag, Stand Juli 1999,
konzentriert sich auf die Technik und
den Betrieb der Anlage unter
Berücksichtigung der Zielsetzungen
und Perspektiven des Projekts.
Detailergebnisse des
Versuchsprogramms werden hier nicht
explizit aufgeführt, sondern sind - in die

1. Einleitung
mehr praktischen Erkenntnisse aus
dem Betrieb integriert - wiedergegeben.
Die Ende 1986 gegründete Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH (SWB) ist ein
Beteiligungsunternehmen der Gesellschafter Bayernwerk AG (70 % Anteil), BMW AG und
Linde AG - jeweils über hundertprozentige Tochterunternehmen - sowie Siemens AG (je 10 %
Anteil). Das Gründungsmitglied Dasa schied Ende September 1994 aus.
Die SWB realisierte und betreibt die oben skizzierte Demonstrationsanlage für Systeme einer
möglichen, künftigen (Solar-) Wasserstoff-Energiewirtschaft.
Das Projekt ist in zwei Phasen unterteilt. Die geplanten Projektkosten von ca. DM 64 Mio. für
die bis Ende 1991 dauernde Phase 1 wurden eingehalten. Derzeit befindet sich das Projekt in
der den Zeitraum 1992-1999 umfassenden 2. Phase. Im Zusammenhang mit zwei, Ende
1994 bestellten elektrochemischen Anlagenteilsystemen wurde der Anlagenbetrieb um drei
Jahre verlängert. Das Projektbudget für den Zeitraum 1992 - 1999 beläuft sich auf ca. DM 60
Mio.
Das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) - seit
Herbst 1998 das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) - und das
Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie (BStMWVT) fördern
den bezuschussungsfähigen Teil der Kosten mit 35 % bzw. 15 %.
Damit werden von den Investitionen in das SWB-Projekt Neunburg vorm Wald über einen
Zeitraum von 13 Jahren ca. DM 57 Mio. (inklusive Investitionszulage) von der öffentlichen
Hand und ca. DM 67 Mio. von den SWB-Gesellschaftern getragen.
2. Projektziele
Übergeordnete Zielsetzung des Solar-Wasserstoff-Projekts ist die praxisorientierte Langzeit-
Erprobung wichtiger Techniken des Wasserstoff-Kreislaufs im industriellen
Demonstrationsmaßstab, auf Basis CO2-freier Stromerzeugung (hier: Photovoltaik).
Unterschiedliche Technologien werden verglichen. Das Zusammenwirken von
Anlagenteilsystemen - auch hinsichtlich verschiedener technisch und energiewirtschaftlich
orientierter Verschaltungskonzepte - wird untersucht. Die Lieferanten wurden zur
Mitgestaltung der Versuchsprogramme eingeladen. Da ein wirklicher Markt für betroffene
Wasserstoff-Systeme derzeit praktisch nicht existiert, sollen damit auch das Interesse der
Industrie sowie Forschungs- und Entwicklungsvorhaben angeregt werden.
Für die SWB und ihre Gesellschafter stehen, unterstützt durch die erworbene Kenntnis
systeminterner Vorgänge (nicht nur "black box" Betrieb), die Gewinnung von Know-how für
Planung, Errichtung und Betrieb ähnlicher Vorhaben und damit verbundene wirtschaftliche
Fragestellungen im Vordergrund.
Eine realistische Öffentlichkeitsarbeit mit Information aus erster Hand ist ein weiteres,
wichtiges Ziel.
3. Konzept Gesamtanlage
Einen optischen Eindruck über die Anordnung und Größe der Gesamtanlage vermittelt ein
Luftbild (Abb. 1), auf dem das Betriebs- und das Mehrzweckgebäude (Infozentrum) sowie die
im Freien installierten Anlagenteilsysteme zu erkennen sind. Dazu gehören die nach Süden
ausgerichteten photovoltaischen Solarfelder, das H2-/O2-/N2-Gaselager und die LH2-
Tankstelle.

Abb. 1: Luftbild Gesamtanlage
Abb. 2 : Blockschaltbild Gesamtanlage Projektphasen 1 und 2
Die Hauptsysteme der Gesamtanlage - mit Angabe kennzeichnender Auslegungsdaten - sind
in Abb. 2 schematisch dargestellt.
3.1 Anlagenteilsysteme Projektphase 1
Es wurden folgende Anlagenteilsysteme installiert:

� Solargeneratoren in monokristalliner (mono-Si) Technik, Feld-Nennleistungen 135
kWp ;10,5 % Wirkungsgrad bei Standardtestbedingungen (STC), bezogen auf die
Modulfläche, einschließlich Kabelverluste
� Solargenerator in polykristalliner (poly-Si) Technik, 131 kWp ; 8,6 % Wirkungsgrad
� elektrische Leistungsaufbereitung (Gleichstromsteller, Gleichstromschiene,
Elektrolysestromversorgungen, Umrichter, Drehstromschiene, Wechselrichter)
� 2 fortgeschrittene Niederdruck-Elektrolyseure unterschiedlicher Technologie mit 111
kWel bzw. 100 kWel Nennleistung. Wasserstofferzeugung zusammen maximal 47 m /h
� H2-/O2-Gassysteme zur Verdichtung, Reinigung, Trocknung und Speicherung der
elektrolytisch erzeugten Gase ( 99,9 Vol.-% H2 bzw. O2)
� 2 Gasheizkessel mit Brennwerttechnik, unterschiedliche Oxidanten (O2 bzw. Luft).
Kessel jeweils im Leistungsbereich von 20 kWth für (zwischen 5 und 95 Vol.- %)
beliebige Erdgas/H2-Mischungen sowie in fester Einstellung für beide Einzelbrenngase
� 2 Brennstoffzellenanlagen unterschiedlicher Technologie: 6,5 kW el alkalischer Typ
(AFC); phosphorsaurer Typ (PAFC): 79,3 kWel / 42,2 kWth (Wasserstoff als Brenngas)
bzw. 13,3 kWth (Erdgas als Brenngas)
� automatische Flüssigwasserstoff (LH2)-Tankstelle zur Erprobung von
Fahrzeugbetankungssystemen.
3.2 Anlagenteilsysteme Projektphase 2
Die Anlage wurde um folgende neu- bzw. weiterentwickelte Anlagenteilsysteme ergänzt:
� Solargeneratoren neuerer Technologie mit jeweils zugehöriger elektrischer
Leistungsaufbereitung
- 2 verschiedene Technologien amorphes Silizium (a-Si): 24 kW p bzw. 24 kWp
Feld-Nennleistung, Wirkungsgrad 4,5% bzw. 5,1% bei Standardtestbedingungen
(STC), bezogen auf die Modulfläche, einschließlich Kabelverluste
- weiterentwickelte monokristalline Strukturen
- 11,3 kWp AS Hybrid Zelle, Wirkungsgrad 12,9%
- 2 x 6,1 kWp HE Zelle auf manuell zwischen 20° und 70° verstellbaren Tischen,
Wirkungsgrad 13,3 %
- 11 kWp MIS -Technik, Wirkungsgrad 11,5%
- 11,8 kWp BSF-Technik, Wirkungsgrad 13,1%
� Untersuchung alternativer Fundament- und Aufständerungskonzepte. Realisierung
einer stahlseilverspannten Tragkonstruktion mit 10,3 kW p monokristallinen Zellen,
Wirkungsgrad 12,6%
� alkalischer Druck-Elektrolyseur, 100 kWel, Arbeitsdruck 32 bar
� katalytisches Heizgerät mit Brennwerttechnik (10 kWth Kesselleistung) für Erdgas - und
Erdgas/H2-Mischbetrieb (90/10 bis 50/50 Vol.-%) , mit Luft als Oxidant. Das
katalytische Heizgerät ist in die konventionelle Heizungsanlage eingebunden
� katalytisch beheizte Absorptionskälteanlage (Brennernennleistung 32,6 kWth,
Nennkälteleistung 16,6 kWth), Brennstoff H2, Oxidant Luft. Die Anlage unterstützt die
konventionelle Kaltwasserversorgung
� Brennstoffzellenanlage mit protonenaustauschender Membran (PEMFC) im Luft-
Betrieb 10 kWel Nennleistung, integriert in einen Elektro-Gabelstapler mit Metall-
Hydridspeicher zur H2-Versorgung
� Optimierung der automatischen LH2-Tankstelle der Projektphase 1 hinsichtlich
Verminderung der Betankungszeit und Verdampfungsverluste sowie der Anzahl
notwendiger Ablaufschritte. Vergleich und Optimierung zweier neu entwickelter,
kaltziehbarer Kupplungssysteme. Versuchsbetrieb eines kryogenen Pumpensystems;
Test eines PKW-Tanksystems ohne Kryoventile.
3.3 Periphere Systeme
Im Zusammenhang mit (Solar-)Wasserstoff-Anlagen werden häufig nur die in Kap. 3.1 und

3.2 skizzierten, bei SWB "Anlagenteilsysteme" genannten Hauptkomponenten angef ührt. In
der Praxis ist zum Anlagenbetrieb bekanntlich eine Vielzahl zusätzlicher peripherer Systeme
erforderlich. In diesem Beitrag kann jedoch hierauf nicht detaillierter eingegangen werden,
insbesondere nicht auf die verschiedenen Betriebsmitteleinrichtungen und Nebensysteme, die
Leittechnik, Sicherheitseinrichtungen sowie die umfangreiche Meßdatenerfassung. Abb. 2
zeigt in der Kopfzeile eine Auswahl wichtiger Systeme.
3.4 Sicherheit
Zu den sicherheitstechnischen Voraussetzungen gehören das in Kap. 3.5 näher erläuterte
Betriebskonzept sowie selbstverständlich die Einbeziehung einschlägiger technischer Regeln,
der Unfallverhütungsvorschriften und Ex-Schutz Richtlinien der chemischen Industrie. In die
Planung der Sicherheitsmaßnahmen flossen ferner die Erfahrungen der Gesellschafter aus
dem Betrieb von Kraftwerken, sowie der Planung und dem Betrieb von verfahrenstechnischen
Anlagen und kryogenen Tanksystemen ein. Die ergriffenen Maßnahmen wurden in
Abstimmung mit den Genehmigungsbehörden festgelegt.
Im folgenden wird der Umgang mit Wasserstoff auf der Anlage in Neunburg vorm Wald näher
beschrieben. Auf andere dort vorhandene, potentiell gef ährliche Stoffe (wie Erdgas,
Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Kalilauge) und deren langjährige, sachgerechte
Handhabung wird hier nicht eingegangen.
Gegen die von Wasserstoff ausgehenden Gefahren wurden konstruktive Vorkehrungen bei
der Errichtung der Gesamtanlage, Gebäude und des Freigeländes getroffen, ergänzt durch
Überwachungs - und Sicherheitseinrichtungen sowie betriebliche Maßnahmen.
Prinzipiell lassen sich 4 Arten von Sicherheitsmaßnahmen definieren, sogenannte primäre,
sekundäre, tertiäre und übergeordnete.
Die primären Sicherheitsmaßnahmen haben zum Ziel, die Störfallursachen auszuschließen,
d.h. jede Bildung eines zündf ähigen Gemisches aus Wasserstoff und Luft bzw. Sauerstoff zu
vermeiden. Hierfür wurde der Wasserstoff in den verfahrenstechnischen Anlagenteilen durch
geeignete konstruktive Maßnahmen und Verwendung bewährter Werkstoffe möglichst sicher
eingeschlossen. Dazu gehören z.B. konstruktive und aufstellungsoptimierende Maßnahmen
inklusive Lüftungskonzept, ferner Einrichtungen zur Gaswarnung sowie Inertisierung von
Anlagenteilen mit Stickstoff.
Bei den sekundären Maßnahmen handelt es sich um die Vermeidung von Zündquellen jeder
Art. Es ist selbstverständlich, daß in allen gef ährdeten Bereichen der Anlage Rauchen und
offenes Feuer untersagt sind. Als m ögliche Zündquellen kommen darüber hinaus vor allem
elektrisch oder mechanisch erzeugte Funken in Frage. Zu den getroffenen Maßnahmen
gehören z.B. die Einhaltung der festgelegten Ex-Schutz-Klassifizierungen sowie
Abstandsregeln bei der Aufstellung, ferner die Realisierung des elektrischen
Potentialausgleichs durch Verbindung aller elektrisch leitenden Anlagenteile mit einem
Erdungsnetz.
Für den Fall des Versagens sowohl der primären als auch der sekundären Maßnahmen gilt
es, das Ausmaß der Störfallfolgen mittels tertiärer Maßnahmen möglichst gering zu halten.
Dies wurde in Neunburg vorm Wald durch bauliche Maßnahmen sowie geeignete
Brandschutzmaßnahmen erreicht .
Darüber hinaus lassen sich weitere getroffene Vorkehrungen als übergeordnete Maßnahmen
definieren. Dazu geh ören z.B. die Sicherheitsleittechnik, die unterbrechungsfreie
Stromversorgung für die Leittechnik und sicherheitsgerichteten elektrischen Einrichtungen,
die Befolgung der Hinweise aus Betriebshandbüchern , Betriebsanweisungen, Schulungen,
Belehrungen, die wiederkehrenden Prüfungen von Anlagenteilen entsprechend gesetzlicher /
behördlicher Vorschriften.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit dem entworfenen Sicherheitskonzept und
den danach durchgeführten Maßnahmen keine prinzipiell neuen sicherheitstechnischen
Risiken abgedeckt werden mußten.
Für den sicheren Umgang - auch im flüssigen Aggregatszustand - mit dem in der Industrie
seit Jahrzehnten eingeführten Wasserstoff reichen die existierenden Vorschriften zumindest
für industrielle Anwendungen aus.
Die im bisherigen Anlagenbetrieb gemachten ca. 10-jährigen Erfahrungen ergaben keinen

Anlaß, das Konzept in Richtung zu noch mehr Sicherheit zu verändern. Die Anforderungen,
d.h. Verletzungen der auf der Anlage anwesenden Personen, Objektbeschädigungen und
Beeinträchtigung der Umwelt zu verhindern, werden erf üllt.
3.5 Anlagenbetrieb mit eingeschränkter Beaufsichtigung
Die Solar-Wasserstoff-Anlage in Neunburg vorm Wald ist in der Regel nur werktags - in den
Monaten November bis einschließlich Februar 8 Stunden (1-Schicht-Betrieb), in den
restlichen Monaten 16 Stunden (2-Schicht-Betrieb) - mit Betriebspersonal besetzt. Für
besondere Versuchskampagnen kann Rund-um-die-Uhr-Betrieb gefahren werden.
Gemäß einer Vereinbarung mit den Genehmigungsbehörden waren die Gaserzeugungs - und
Anwendungssysteme bei unbesetzter Anlage leistungsmäßig abgeschaltet.
Es zeigte sich erwartungsgemäß, daß die dadurch gegebenen An- und Abfahrvorg änge nicht
nur zeitaufwendig sind und die Durchf ührung des Versuchsprogramms behindern, sondern
wegen ihrer Häufigkeit auch zu einem erh öhten Komponentenverschleiß führen.
In Zusammenarbeit mit den Genehmigungsbehörden wurde in einem weiteren Schritt
schließlich ein Maßnahmenkatalog als Voraussetzung für einen zeitweise unbeaufsichtigten
(d.h. nicht länger als 24 h) Betrieb H2-führender Systeme festgelegt. Dazu gehörten
Maßnahmen zur Ertüchtigung bzw. Verwendung der vorhandenen Leittechnik für
sicherheitstechnische Aufgaben, wie redundante Überwachung der H2-/O2-Gasreinheiten
nach der alkalischen Niederdruck-Elektrolyse und Absicherung aller im H2-/O2-Gasweg
befindlichen mechanischen Sicherheitsventile durch vorgeschaltete Druckschalter.
Seit September 1997 können damit, soweit hinsichtlich Wasserstofferzeugung und -
anwendung sinnvoll, viele verfahrenstechnische Anlagenteilsysteme über Nacht
unbeaufsichtigt durchlaufen (alkalischer Niederdruck-Elektrolyseur, H2-/O2-Gassysteme,
Gasheizkessel 2, katalytisches Heizgerät, katalytisch beheizte Absorptionskälteanlage,
phosphorsaure Brennstoffzellenanlage ohne O2-Anreicherung). Seit März 1999 wird auch der
in Kap. 4.2.2 beschriebene alkalische Druck-Elektrolyseur entsprechend diesem Konzept
betrieben.
4. Projektabwicklung, Betrieb, Versuchsergebnisse
In diesem Beitrag kann nur in sehr verdichteter Form über die vielfältigen Erkenntnisse aus
dem bisherigen Versuchsbetrieb berichtet werden. Zur besseren Einschätzung sollte dabei
nicht unerw ähnt bleiben, da ß die einzelnen Anlagenteilsysteme entsprechend der
angesetzten Versuchskampagnen teilweise recht unterschiedliche kumulierte
Betriebsstunden aufweisen. Einen Eindruck vermitteln Abb. 3 und besonders Abb. 4.
Abb. 3 : Kumulierte Betriebsstunden: Solargeneratoren
(Stand 30.06.1999)

Abb. 4: Kumulierte Betriebsstunden : Verfahrenstechnische Anlagenteilsysteme
(Stand 30.06.1999)
4.1 Solargeneratoren und Umrichter
Die größeren Solargeneratoren speisen mittels Maximum Power Point (MPP)-geregelter
Gleichstromsteller auf eine gemeinsame Gleichstromschiene, die als Kopplungsglied
zwischen den Solargeneratoren, den Wasserelektrolyseuren und dem Netz fungiert.
Um das Zusammenwirken wichtiger Anlagenteilsysteme besser untersuchen zu können,
wurde die elektrische Leistungsaufbereitung flexibler und damit aufwendiger gebaut, als dies
für ausschließlichen Netzparallelbetrieb über Wechselrichter notwendig wäre, siehe Abb. 2.
Der Speisestrom für die Elektrolyseure wird durch galvanisch trennende
Elektrolysestromversorgungen geregelt. Mittels geeigneter elektrischer Verschaltungen
lassen sich die Elektrolyseure mit einem Solargenerator auch direkt bzw. simuliert
direktkoppeln.
Die Solargeneratoren und zugehörigen Steller der Projektphase 1 sind seit knapp zehn
Jahren in Betrieb. Zu Beginn traten bei der Photovoltaik Probleme wegen nicht erkannter
Schädigungen während der Montage und vorzeitigen Alterung von Überspannungsableitern
auf. Beides führte zur Verringerung des Isolationswiderstands, so da ß teilweise Module und
Überspannungsableiter ausgetauscht werden mußten. Das Meßprinzip der

Isolationsüberwachung wurde geändert. Die Anzahl der Module mit Glasbruch infolge
montagebedingter oder sonstiger Verspannungen hat sich stabilisiert.
Die monokristallinen Solarfelder der Phase 1 erbringen eine gute Energieernte,
nachvollziehbar größer als die Werte, die von einigen anderen Anlagenbetreibern in
Mitteleuropa, z. B. im 1.000-Dächer-Programm, genannt werden.
Dagegen weist eine weiterhin steigende Anzahl polykristalliner Module infolge von
Temperaturstreß interne elektrische Defekte auf. Dies resultiert in einer Unterbrechung der
Zellenverschaltung. Der Nutzungsgrad dieses Generators fiel von 7,8 % auf inzwischen 0,8
%, d.h. der Generator besitzt nur noch ca. 1/10 seiner ursprünglichen Anfangsleistung. Der
Hersteller hat die Erkenntnisse in einen verbesserten Produktionsprozeß einfließen lassen.
Bei den Umrichtern waren - wohl infolge von thermischem Streß - zwischenzeitlich häufig
Steuerkartenausfälle durch vorzeitige Alterung zu beobachten.
Im Winter 1993/94 wurden sechs neue Solargeneratoren installiert.
Der Wirkungsgrad einiger kristalliner Technologien blieb deutlich unter den jeweils
garantierten Werten. Die daraufhin notwendigen Nachbesserungs-/Austauschmaßnahmen
der Lieferanten waren erfolgreich.
Das Feld mit der HE-Zelltechnologie wurde trotz Garantiewertunterschreitung unverändert
belassen. Statt einer Nachbesserung wurde die zusätzliche Lieferung einer
weiterentwickelten monokristallinen Technik, BSF, vereinbart. Seit Betriebsbeginn im
September 1996 ist das Nutzungsgradverhalten dieses Generators gut.
Beide Felder mit amorpher Zelltechnologie erreichten ihre garantierten Wirkungsgrade. Die
bisherige Degradation entspricht den Erwartungen: a-Si ca. 10 %, a-Si (pin-pin) ca. 8 %.
Untersuchungen mit den pin/pin-Modulen haben ferner gezeigt, daß durch Wärmeisolierung
dieser Solargeneratoren eine leichte Ganzjahres-Verbesserung des Nutzungsgradverhaltens
erreichbar erscheint.
Die meisten Gleichstromsteller und Wechselrichter auch der Phase 2 arbeiteten nicht auf
Anhieb zufriedenstellend, was nur teilweise mit dem gegebenen Prototypencharakter
erklärbar ist. Es bedurfte z. T. erheblicher Nachbesserungen.
In Neunburg vorm Wald werden auch verschiedene Aufst änderungsmöglichkeiten erprobt.
Erwartungsgemäß haben nicht nur die Solarmodule selbst, sondern auch die
unterschiedlichen Methoden der Aufständerung Einfluß auf Kosten, Energieausbeute und
Wartungsaufwand.
Dies beginnt bereits bei den Fundamenten. Je nach Geländeform kann es z.B. günstiger sein,
ein System zu wählen, das viele kleine Bohrfundamente anstelle weniger massiver
Fundamente benötigt. Auch die Höhe der Tische ist von Bedeutung. So ist es z.B. von
Nachteil, wenn die Module nur per Kran zu montieren und anschließend bestenfalls über eine
lange Leiter zu erreichen sind. Wartungsfreundlicher sind Konstruktionen, die einen einfachen
Zugang zu den Solarmodulen ermöglichen.
Ferner wurde untersucht, welcher Anstellwinkel die beste Energieausbeute ergibt und ob
einachsige, nachführbare Aufständerungen feststehenden entscheidend überlegen sind. Der
Vergleich der Aufstellungen der Projektphase 2 gegenüber Phase 1 zeigte, daß ein
Anstellwinkel von 30 Grad zur Horizontalen weniger Platz erfordert und zusätzlich eine etwas
bessere Ganzjahres-Ernte erbrachte als ein Anstellwinkel von 40 Grad, und zwar sowohl bei
direkter als auch bei diffuser Sonneneinstrahlung. Letztere beträgt etwa 1/3 der
Gesamtstrahlung. Das Teilfeld mit winkelverstellbaren Tischen (HE Zelle) wurde in 1997
monatlich manuell so nachgestellt, daß eine möglichst hohe Ausbeute zu erwarten war.
Tatsächlich stieg der Wert gegen über dem im Anstellwinkel fest gehaltenen Vergleichstisch
um etwa 3,3 %. Angesichts des in der Praxis nötigen hohen Aufwands läßt sich feststellen,
daß sich eine Nachführung in unseren Breiten kaum lohnt und ein fest eingestellter
Neigungswinkel von 30 Grad geeignet ist, Werte nahe am Ganzjahres-Optimum zu erbringen.
4.2 Wasserelektrolyseure
4.2.1 Niederdruck-Elektrolyseure
Die zwei in der Projektphase 1 für die H2-/O2-Gaserzeugung installierten Niederdruck-
Elektrolyseure sind Anlagen fortgeschrittener Technologie (Nullabstandsgeometrie, kein
Asbest-Diaphragma, aktivierte Elektroden, erhöhte Stromdichte) mit gegenüber
konventionellen Ausf ührungen deutlich verbessertem spezifischen Energieverbrauch (4,5

kWh/m H2 bei Nennstrom).
Die beim alkalischen Niederdruck-Elektrolyseur anfangs aufgetretenen Probleme,
vornehmlich unzureichende Produktgasreinheiten, konnten im August 1992 mittels Ersatz der
ursprünglich einfachen, durch kathodenseitig verstärkte Polysulfon-Diaphragmen behoben
werden. Erst 6 Jahre später, im September 1998, mußte der Zellblock wegen sich
vergrößernder KOH-Leckage wieder geöffnet werden. Dabei wurde festgestellt, daß sich mit
Ausnahme der O-Ring-Dichtung zwischen den Zellrahmen die Zellen noch in einem guten
Zustand befanden. An 11 (von insgesamt 60) Zellen wurden die Diaphragmen gewechselt, an
einigen Zellen die Kontaktierung der Zellspannungsmessung erneuert. Den inzwischen ca. 9jährigen
Betriebsergebnissen folgend, arbeitet der alkalische Niederdruck -Elektrolyseur bei
hoher Verf ügbarkeit gut und bildet unver ändert die Grundlage der H2- und O2-Versorgung in
Neunburg vorm Wald.
Das Versuchsprogramm ist im wesentlichen abgeschlossen. Weitere Aktionen sind
vornehmlich unter dem Aspekt Langzeit-Betriebserfahrung zu sehen. Dabei erfolgt eine
zyklische Aufnahme der Basiswerte (Kennlinien).
Der Membran-Elektrolyseur mußte infolge zunehmend unzureichender Produktgasreinheiten
(besonders H2-Gehalt im O2-Produktgas) im Juni 1995 außer Betrieb genommen werden. Bis
zur Stillegung lieferte dieses Gerät gute Ergebnisse, auch unter den Bedingungen stark
schwankender Leistung während der Direktkopplung mit einem Solargenerator.
SWB hätte die gesammelten Erkenntnisse den Lieferanten für eine Weiterentwicklung gerne
zur Verfügung gestellt, beide haben jedoch seit einigen Jahren das entsprechende
Geschäftsfeld aufgegeben.
Somit gestaltete sich auch die Ersatzteilbeschaffung, insbesondere für den Membran -
Elektrolyseur, sehr aufwendig. Bei einer Zerlegung des Zellblocks im Februar 1996 wurde
festgestellt, daß die Membranen nach kumuliert ca. 5-jährigem Einsatz soweit abgedünnt
waren, daß der Elektrolyseur in Ermangelung geeigneter Ersatzteile stillgelegt werden mußte,
obwohl er längere Zeit gute Versuchsergebnisse erzielt hatte.
4.2.2 Alkalischer Druck-Elektrolyseur
Zur Zeit der Anschaffung der beiden Niederdruck-Elektrolyseure waren fortgeschrittene
Druck-Elektrolyseure in der 100 kWel -Klasse mit Arbeitsdr ücken von ca. 30 bar noch nicht
verfügbar. Ein solches alkalisches Gerät (mit einer im Zellblock eingesetzten Verbundeinheit
von Nickelelektroden und einem Keramikdiaphragma, EDE-Verbundeinheit genannt) konnte
schließlich im November 1994 bestellt werden.
Wesentliche Charakteristik dieses Elektrolyseurs sind der 30 bar Druckbetrieb, die
intermittierende Betriebsm öglichkeit und schnelle Regelbarkeit.
Die Verdichtung der Produktgase auf den SWB-Systemdruck von ca. 30 bar entfällt somit.
Der Garantielauf war im Juli 1996. Die erste Aufnahme von Basisdaten wurde Ende 1996
abgebrochen. Vornehmlich wegen des Anstiegs der Gasverunreinigung O2 im H2-Produktgas
infolge aufgetretener Leckagen im Zellrahmen mußte der EDE-Zellblock ausgebaut werden.
Der Lieferant entschloß sich in Abstimmung mit der SWB, im Rahmen seiner Gew ährleistung
einen Zellblock mit anderem Aufbau einzusetzen (polysulfongebundenes
Keramikdiaphragma, chemisch aktivierte Nickelelektroden, von 135 °C auf 105 °C reduzierte
Betriebstemperatur, neues Dichtungskonzept). Zur Reduzierung des KOH-Anteils im O2-
Produktgas wurde ein Demister in den O2-Abscheider eingebaut. Der neue Zellblock ist eine
vom Bundesforschungsministerium (BMBF) gef örderte Weiterentwicklung, ausgerichtet auf
Kostenreduzierung bei Aufrechterhaltung von Charakteristik und Kennwerten.
Die SWB erklärte sich bereit, diesen Entwicklungsstand ca. 1 Jahr lang zu demonstrieren.
Dabei ergab sich, daß zwar die spezifischen Kennwerte erreicht wurden, ein
bestimmungsgemäßer Versuchsbetrieb aber infolge zahlreicher Probleme des Elektrolyseurs
nicht möglich war.
Der Demister im O2-Abscheider wurde wieder entfernt, und seit Mai 1998 wird jetzt bei
ansonsten unveränderter Anlagentechnik ein Zellblock mit polysulfongebundenen
Keramikdiaphragmen, jedoch ohne chemische Aktivierung der Nickelelektroden, eingesetzt.
Der Druck-Elektrolyseur war in dieser Konfiguration zunächst weitgehend stabil betreibbar,
bis sich nach - inzwischen mehrfach aufgetretenen - Defekten an Zellspannungsmeßleitungen
das Gerät Anfang August 1998 abschaltete. Da mehrere Meßdrähte der
Zellspannungsmessungen korrosive braune Verfärbungen aufwiesen und einige sogar

angebrochen waren, wurden alle Meßdrähte einschließlich der Behälterdurchführung
erneuert. Nach Wiederinbetriebnahme lief der Elektrolyseur kumuliert zunächst ca. 870 h, bis
er sich im März und Juni 1999 weitere Male aus oben geschilderten Gründen abschaltete.
Nach damit notwendig gewordenen, erneuten Reparaturen befindet sich der Elektrolyseur
derzeit wieder im Versuchsbetrieb.
Die Einzelzellspannungsmessungen gehören zum Sicherheitskonzept des Elektrolyseurs, das
zwischen dem Lieferanten, dem TÜV und der SWB vereinbart wurde. Die nach Auftreten der
o.a. Probleme vom Lieferanten vorgeschlagene Entfernung dieser Überwachung wurde nicht
realisiert, weil damit eine wesentliche Änderung und Reduzierung des sicherheits- und
überwachungstechnischen Niveaus des Elektrolyseurs verbunden wäre.
Der mit dem zweiten Zellblock (aktivierte Elektroden) beobachtete, betrieblich inakzeptabel
schnelle Anstieg des Differenzdrucks über den Filter des Laugekreislaufs hat sich mit Einsatz
des derzeitigen, dritten Zellblocks (nicht aktivierte Elektroden) erheblich verlangsamt. Mit dem
dritten Zellblock ist bei einer Arbeitstemperatur von 105 °C der spezifische Energieverbrauch
von ca. 4,7 kWh/m H2 dem der beiden Niederdruck-Elektrolyseure vergleichbar. Die
Stromdichte unter Nennlast liegt bei 8,4 kA/m .
Abb. 5 zeigt einen Blick in die Betriebsgeb äudehalle mit den Wasserelektrolyseuren.
Abb. 5: Zwei Niederdruck-Elektrolyseure (rechts Mitte), Deionattank (Hintergrund rechts
oben) , Druck-Elektrolyseur (vorne rechts) , E-Gabelstapler mit integrierter PEMFC-Anlage
(Hintergrund Mitte), H 2-Gassystem (links)
4.3 H2-/O2-Gassysteme
Für die beiden Niederdruck-Elektrolyseure ist zur Druckgasspeicherung von H2 und O2 auf
jeweils bis zu ca. 30 bar eine nachfolgende Verdichtung notwendig.
Die beiden Produktgase H2 bzw. O2 werden durch katalytische Verbrennung von
Verunreinigungen durch die jeweils andere Gaskomponente befreit, in regenerierbaren Alu-
Gel/Molsieb Schüttungen getrocknet und dann in Druckbehältern gespeichert.
Nach Beseitigung einer Reihe von bis in jüngere Zeit reichenden Mängeln (dezentrales
Prozeßleitsystem, Verdichter, Armaturenundichtheiten durch mitgerissene Adsorbenspartikel,
Analysengaskühler) arbeiten die H2-/O2-Gassysteme weitgehend zufriedenstellend. Die H2-
Verdichter jedoch haben - wohl nicht zuletzt infolge der Versuchsbetriebsphilosophie in
Neunburg vorm Wald, siehe Kap. 3.5 - weiterhin gelegentlich Probleme (u.a. erh öhter

Kolbenring-/Zylinder -Verschleiß). Auch das dezentrale Prozeßleitsystem zeigt sich
unverändert zeitweise problembehaftet.
Neben der Druckgaslagerung von Wasserstoff wird in Neunburg vorm Wald für den Bereich
Verkehrsanwendung fremd angelieferter Wasserstoff auch im flüssigen Zustand gespeichert.
Eine weitere Besonderheit ist die Möglichkeit, einige nachfolgend beschriebenen
Anlagenteilsysteme (den Gasheizkessel, die phosphorsaure Brennstoffzellenanlage und das
katalytische Heizgerät) außer mit Erdgas auch mit Wasserstoff bzw. teilweise mit Mischungen
dieser beiden Brenngase zu betreiben.
Auf diese Weise kann die technische Seite eines Übergangs von der bisher vornehmlich fossil
ausgerichteten Energieversorgung in eine mögliche Energiewirtschaft mit CO2-frei erzeugtem
Wasserstoff als Energieträger in ersten Schritten demonstriert und untersucht werden.
Dies führt uns zu den Anwendungen von Wasserstoff in Neunburg vorm Wald.
4.4 Gasheizkessel, katalytische Anlagen
4.4.1 Gasheizkessel
Der mit Sauerstoff als Oxidant arbeitende Gasheizkessel mit Brennwerttechnik konnte, trotz
bis dahin belastbarer Versuchsergebnisse, infolge von zuletzt aufgetretenen Problemen (zu
geringe Standzeit der Brennerdüse) keine akzeptable Verf ügbarkeit erreichen. Das Gerät
wurde schließlich im Mai 1995 stillgelegt.
Der mit Luft als Oxidant betriebene Gasheizkessel (siehe Abb. 6) hingegen arbeitete bis zum
Frühjahr 1998 gut. Bei gleicher Technik ergab sich erwartungsgemäß bei O2 ein gegenüber
Luft besserer Wirkungsgrad. Bei der Verbrennung von H2 mit Luft zeigten sich im Vergleich
zur Verbrennung mit Erdgas (Gruppe H) leicht erhöhte NOx-Emissionen; diese können zwar
durch eine deutliche Erhöhung des Luftüberschusses reduziert werden, der Wirkungsgrad
nimmt aber dabei ab.
Das Versuchsprogramm für den mit Luft auf der Oxidantenseite gefahrenen Gasheizkessel ist
im wesentlichen abgeschlossen. Weitere Aktionen sind vornehmlich unter dem Aspekt
Langzeit-Betriebserfahrung zu sehen. Dabei erfolgt eine zyklische Aufnahme der Basiswerte
(Kennlinien).
Im Mai 1998 wurde eine zu hohe CO-Konzentration im Abgas festgestellt. Nach Austausch
von gealterten Dichtungen an Kesseltür und Abgasstutzen versuchte der Lieferant vergeblich,
die Parameter des Gleichdruckreglers einzustellen, nachdem der Kessel in jeder
Konfiguration wegen zu hohen CO-Gehalts im Abgas ausfiel. Ausgerissene Gewinde der
Brennerraumtür wurden erneuert, wodurch eine geringe Erleichterung eintrat. Bei vermutlich
auch defekter bzw. verstellter Luftdrosselklappe wird ein zu mageres Gemisch gefahren.
Nach wie vor ist aufgrund der zu hohen CO-Konzentration kein Betrieb möglich. Da die in
Neunburg vorm Wald vorhandene Abgasanalytik auch für den Betrieb des nachfolgend
beschriebenen katalytischen Heizgerätes (siehe Abb.6) ben ötigt wird, wurden weitere
Reparaturen vorerst zurückgestellt.
4.4.2 Katalytisches Heizgerät
Das außer mit Erdgas auch im stufenlosen Zumischungsverh ältnis von 10 - 50 Vol.-% H2 in
Erdgas betreibbare katalytische Heizgerät mit Brennwerttechnik und einer Kesselleistung von
10 kWth wurde als Entwicklungsvorhaben abgewickelt. Der Oxidant ist Luft, die Vormischung
von Brenngas und Luft erfolgt extern. Infolge der auf < 900°C reduzierten
Verbrennungstemperatur liegen u. a. die NOx-Emissionen unter 20mg/kWh. Seit Dezember
1995 läuft das Gerät - von kleineren Reparaturen abgesehen - durchgehend im
Versuchsbetrieb.
4.4.3 Absorptionskälteanlage
Ebenfalls als Entwicklungsauftrag vergeben wurde die katalytisch mit Wasserstoff beheizte
Absorptionskälteanlage, wobei ein herkömmliches, mit Erdgas betriebenes Kälteaggregat der
Klimatechnik modifiziert wurde.

Abb.6: Von links nach rechts: katalytisches Heizgerät, Gasheizkessel (Oxidant Luft), Gas
(misch)strecken, Abgasanalytik, Gasheizkessel-Steuerung
Mit Luft auf der Oxidantenseite gefahren, bringt die Anlage eine Kälteleistung von 16,6 kWth.
Die Wärmeerzeugung erfolgt katalytisch an Diffusionsbrennerstrukturen (ohne Vormischung
von Brennstoff und Oxidant, somit vom Prinzip her keine Rückzündungen möglich). Infolge
niedriger Brennertemperaturen von ca. 800 °C ergibt sich ein effizienter Wärmeübergang im
Hochdruckaustreiber. Ferner reduzieren sich mögliche Korrosionsprobleme, da die
Kühlflüssigkeit im Austreiber nicht überhitzt wird ( 160°C). Die NOx-Emissionen liegen unter
1 vppm.
Zu Beginn war eine Reihe von Nachbesserungen, hauptsächlich an Standardbauteilen,
notwendig. Dazu gehörten die Brennerüberwachung und Analyseleitungen des Abgases.
Anfang November 1997 wurde die Brennereinheit ausgebaut. Die Tauchhülsen der
Thermoelemente zur Brennerüberwachung waren - wie bereits früher einmal - verbogen und
wurden gegen neue aus wärmefestem Stahl ersetzt. Die Brennereinheit wurde so umgerüstet,
daß im Wartungsfall die frontseitigen Wärmedämmplatten entfernt werden können, ohne die
ganze Einheit ausbauen zu müssen. Dies vereinfachte die Kontrolle der Thermoelemente
erheblich. Die Kälteanlage wird mit H2 aus dem SWB-Gaselager betrieben und unterstützt
den konventionellen Kaltwassersatz.
Mitte April 1998 wurden die Sinterkörper gereinigt und, soweit Ersatz vorhanden war,
erneuert. Ab Mitte Oktober fiel die Anlage nach Betriebszeiten von wenigen Minuten wegen
zu hoher Temperaturdifferenzen aus. Eine Überprüfung der Thermoelemente ergab keine
Beanstandungen. Der Brenner wurde ausgebaut und beim Lieferanten einem Test
unterzogen. Dabei wurde festgestellt, daß Thermoelement -Tauchhülsen mit einigen
Sinterkörpern infolge zu geringen Abstands verbacken waren. Damit konnte sich an einigen
Stellen statt der katalytischen Reaktion (reduzierte Temperatur) eine direkte
Wasserstoffverbrennung (erheblich höhere Temperatur) ausbilden. Die
Temperaturüberwachung der Anlage schaltete daraufhin bestimmungsgemäß ab.
Die Lochblechummantelungen der Brennereinheit wurden erneuert, die metallischen Hülsen
der Temperaturmeßsonden durch keramische ersetzt und die Brennerkörper von
Verzunderungen gereinigt, die durch Kontakt mit der Ummantelung bzw. den Thermoh ülsen
entstanden waren. Nach einem erneuten Test wurde der Brenner an SWB ausgeliefert.
Seitdem läuft die Absorptionskälteanlage wieder im Versuchsbetrieb.
4.5 Brennstoffzellenanlagen
Der in der Literatur häufig "Stack" genannte Zellblock wird bei SWB mit "Brennstoffzelle"

ezeichnet, die betriebsfähige Anlage inkl. zugehöriger Peripherie mit
"Brennstoffzellenanlage".
Bei der SWB wurden bis Ende 1997 zunächst zwei Brennstoffzellenanlagen, eine alkalische
und eine phosphorsaure, getestet. Seit Januar 1998 wird auch eine Anlage mit
protonenaustauschender Membran im Versuchsbetrieb gefahren.
Die verschiedenen Brennstoffzellentechnologien zielen auf unterschiedliche Einsatzfelder.
4.5.1 Alkalische Brennstoffzellenanlage
Die alkalische Brennstoffzellentechnologie ist, da sie reinen O2 als Oxidanten und reinen H2
als Brennstoff benötigt, mehr für Nischenanwendungen geeignet (bisheriger Einsatz:
Raumfahrt, U-Boote).
Die Verbindung mit einer elektrischen Belastungseinheit, dem sogenannten Hybridsystem -
bestehend aus Gleichstromsteller, Batteriepufferung, Umrichter und Steuereinheit, siehe Abb.
2 - erlaubte in Neunburg vorm Wald die Fahrzyklen-Simulation von Elektrofahrzeugen im
stationären Einsatz.
Infolge aufgetretener elektrischer Umpolung von Einzelzellen der alkalischen Brennstoffzelle
wurden Zusatzmaßnahmen an den Versorgungssystemen und bei der Kontrolle der
Einsatzgase getroffen. Nach mehrfach notwendig gewordenem Austausch der Brennstoffzelle
wurde im Oktober 1994 beschlossen, die Anlage stillzulegen, obwohl sie in den Perioden
störungsfreien Betriebs ein gutes Leistungsverhalten zeigte. Bei einer Betriebstemperatur von
ca. 80 °C lieferte die Brennstoffzellenanlage 6,5 kWel. Die Nennspannung war 48 Vdc. 53 %
elektrischer Wirkungsgrad (bezogen auf Ho) wurden bei Nennleistung unter Vernachlässigung
des elektrischen Hilfsenergiebedarfs gemessen, die Stromdichte lag dabei bei 4 kA/m ,
beliebige Lastsprünge waren innerhalb von ca. 100 ms möglich.
Nach den gesammelten Erfahrungen erwies sich die alkalische Brennstoffzellenanlage wegen
ihrer Komplexität als empfindlich. Vor allem ist die Möglichkeit der irreversiblen Schädigung
der Nickelanode eine Erschwernis für den Einsatz.
Der Hersteller gab das zugehörige Geschäftsfeld vor einigen Jahren zu Gunsten der
Membran-Brennstoffzellentechnologie auf.
4.5.2 Phosphorsaure Brennstoffzellenanlage
Die phosphorsaure Brennstoffzellenanlage (mit der Möglichkeit zur Abwärmenutzung auf
höherem Temperaturniveau) wird als eine Alternative zu konventionellen Kraft-Wärme-
Kopplungsanlagen gesehen.
Da Wasserstoff wohl in absehbarer Zeit in energiewirtschaftlichen Mengen nicht
leitungsgebunden zur Verfügung stehen wird, ist die Kombination Wasserstofferzeugung
mittels Dampfreformierung von Erdgas, CO-Konvertierung und Brennstoffzelle sinnvoll.
Infolge des guten Gesamtwirkungsgrads einer solchen Brennstoffzellenanlage liegen die
CO2-Emissionen unter denen konventioneller Systeme.
Zur Erprobung des erw ähnten Übergangsszenarios kann die phosphorsaure
Brennstoffzellenanlage in Neunburg vorm Wald, siehe Abb. 7, sowohl mit Erdgas aus dem
öffentlichen Netz (Gruppe H) als auch direkt mit H2 aus dem SWB-Gaselager betrieben
werden. Umgebungsluft dient als Oxidant. Eine Verbesserung des Zellwirkungsgrades um bis
zu 3 Prozentpunkte kann durch die Anreicherung der Kathodenluft mit Sauerstoff (bis auf 50
Vol.-% O2) erreicht werden.
Die auf elektrische Leistung optimierte phosphorsaure Brennstoffzellenanlage der SWB
wurde mit einer Vielzahl an Betriebsarten für den Versuchsbetrieb in einer (Solar-)
Wasserstoff-Demonstrationsanlage konzipiert. Bei einer Betriebstemperatur von ca. 190 °C
erfolgt die Wärmeauskopplung bei ca. 165 °C. Es handelt sich hier nicht um eine
kommerzielle, containerisierte Standardanlage.
Während der Inbetriebsetzung traten erhebliche Probleme auf, darunter mehrere Reparatur -
und Umbaumaßnahmen. Die zeit- und personalaufwendigen Optimierungsarbeiten infolge
des hohen Automatisierungsgrades resultierten in Verzögerungen und einem erheblich
verspäteten Garantielauf. Die meisten Schwierigkeiten ergaben sich in der zugeh örigen
Peripherie der Brennstoffzellenanlage, nur sehr wenige dagegen bei der Brennstoffzelle
selbst.

Seit der Übernahme der Anlage durch die SWB im März 1993 jedoch konnte das
Versuchsprogramm gut abgearbeitet werden.
Die ersten Versuche in diversen Betriebsarten zur Kennlinienaufnahme wurden Ende 1993
durchgeführt. 1994 wurden das Lastfolgeverhalten und der ununterbrochene Betrieb der
Anlage (rund-um-die-Uhr, 5 Tage pro Woche) untersucht. Im Sommer 1995 wurde der
Strombedarf eines kleinen Krankenhauses als Inselbetrieb simuliert.
Im Herbst 1996 wurden das An- und Abfahrverhalten der Brennstoffzellenanlage genauer
untersucht sowie Messungen zur Überprüfung der Emissionen (hier: CO und NOx)
durchgeführt. Die Emissionen sind vergleichbar denen anderer, kommerzieller
phosphorsaurer Brennstoffzellenanlagen und somit bekanntlich um Größenordnungen
geringer als die Emissionsgrenzwerte für Gasmotoren nach TA Luft.
Neben diesen Versuchskampagnen wurde die phosphorsaure Brennstoffzellenanlage
überwiegend bei Nennleistung (Brennstoffzelle mit 610 Adc, 130 Vdc) betrieben. Der
Leistungsbereich erstreckt sich von 25 bis 100 %, die maximale
Leistungsänderungsgeschwindigkeit liegt bei 1 %/s. Leistungen und Lastwechselverhalten
entsprechen den Erwartungen; erwähnenswert ist ein in der Höhe damals unerwarteter
elektrischer Eigenbedarf (12 kWel bei Wasserstoff -, 32 kWel bei Erdgaseinsatz) sowie eine
höhere Wärmeleistung bei Erdgaseinsatz (20 kWth anstatt der gemäß Auslegung erwarteten
13 kWth).
Bei den Versuchskampagnen wird besonderes Augenmerk auf das Verhalten der
Brennstoffzellenanlage bei der bei SWB gegebenen intermittierenden Fahrweise gelegt (siehe
auch Kap. 3.5). Wichtige Erkenntnisse zur Langzeitstandfestigkeit, insbesondere unter diesen
sehr erschwerten Betriebsbedingungen, wurden gewonnen. Die bisher ca. 500 Starts und
Stops während der seit 1991 kumuliert ca. 3.410 Versuchsbetriebsstunden der
Brennstoffzelle resultieren in einer Leistungsabnahme von ca. 20 kW el.
Anfang Dezember 1997 traten zu hohe H2-Konzentrationen in der Spülluft der Brennstoffzelle
auf. Der Versuch, die infolge Dichtungsalterung verursachte Leckage durch Nachspannen
des Zellblocks abzudichten, blieb ohne Erfolg. Ein Austausch der Dichtung erschien zu
aufwendig. Durch deutliche Erhöhung des Spülluftdurchsatzes unter Verwendung der
Überschußleistung des Kathodenluftverdichters konnte Abhilfe geschaffen werden.
Das Versuchsprogramm zur phosphorsauren Brennstoffzellenanlage ist im wesentlichen
abgeschlossen. Weitere Aktionen sind vornehmlich unter dem Aspekt Langzeit-
Betriebserfahrung zu sehen. Neben der zyklischen Aufnahme der Basiswerte (Kennlinien) ist
das Hauptaugenmerk auf die weitere Entwicklung der Leistungsdegradation der
Brennstoffzelle gerichtet.
Abb. 7: Phosphorsaure Brennstoffzellenanlage mit integrierter
H2-Feinreinigung (DWA -Anlage siehe rechtes Teilbild)

4.5.3 Membran-Brennstoffzellenanlage
Die Brennstoffzellenanlage mit protonenaustauschender Membran wurde vom Hersteller, basierend
auf seinen Erfahrungen im O 2-Betrieb, erstmals als System f ür Luft-Betrieb konzipiert.
Die Anlage - mit zugehöriger GH2-Tankstelle -, die bei einer Nennleistung von 10 kWel als
elektrochemische Stromquelle für den Antrieb eines Serien-Elektro-Gabelstaplers auf dem
Gelände in Neunburg vorm Wald verwendet wird, ist in Abb. 8 zu sehen. Sie dient als
Demonstrator für mobile und station äre Tests der PEMFC-Technologie deutscher Herkunft.
Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt bei 60 °C, die Nennspannung bei 52 Vdc. Der
Skid mit der Brennstoffzellenanlage inkl. Metall-Hydridspeicher ersetzt den im Elektro-
Gabelstapler sonst üblichen Batteriesatz. Alle Hilfsaggregate werden elektrisch eigenversorgt,
zum Start erfolgt die Versorgung aus einem bordseitigen Bleiakku. Trotz der mit 10 kWel für
ein Fahrzeug mit mehr als 4 t Eigengewicht normalerweise knapp bemessenen verfügbaren
Antriebsleistung wird der Stapler in Neunburg vorm Wald nicht nur als Versuchsträger für die
Brennstoffzellenanlage, sondern auch praxisgerecht als Arbeitsgerät verwendet.
Der bei der Bestellung vereinbarte Auslieferungstermin Ende 1996 konnte nicht eingehalten
werden. Es wurde Verzug aufgrund nicht vorhersehbarer Forderungen seitens der
Genehmigungsbehörden angemeldet. So mußten eine zweite Anlagensteuerung
(Redundanz) vorgesehen sowie die Sicherheitslogiken überarbeitet werden.
Abb. 8: Elektro-Gabelstapler mit luftatmender Membran-Brennstoffzellenanlage
und zugehöriger GH2-Tankstelle für Metall-Hydridspeicher
Der Garantielauf wurde schließlich Mitte Dezember 1997 erfolgreich durchgeführt. Die bei
Nennlast vereinbarten Garantiewerte für die elektrische Nutzleistung der
Brennstoffzellenanlage ( 9 kW, nach Abzug des elektrischen Eigenbedarfs) sowie für den
jeweils auf Hu,H2 bezogenen elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ( 50 %) und den
der Brennstoffzellenanlage ( 40 %) wurden erreicht.
Der nach der Übernahme begonnene Versuchsbetrieb war zunächst durch eine Reihe von
Störungen erschwert (Probleme mit der Datenerfassung, ungeeignete Füllstandsgeber zur
Wasserausschleusung der Brennstoffzelle, defekter Pumpenmotor im Primär-
Kühlwasserkreislauf). Die jeweils eingeleiteten Abhilfemaßnahmen waren erfolgreich.
Mitte März, Ende Juni und Ende August 1998 war die Brennstoffzellenanlage jeweils etwa

zwei Wochen erneut wegen defektem Pumpenmotor im Primär-Kühlwasserkreislauf und Mitte
Mai für eine Woche wegen einer Relaisstörung in der Ansteuerung dieses Motors nicht
verfügbar. Infolge ungenügender Kühlung traten Schäden an der Ankerwicklung bzw. an den
Kohlebürsten auf. Der Lieferant sucht nach Verbesserungsm öglichkeiten, die bei einem
erneuten Ausfall durchgeführt werden könnten.
Mitte Juli 1998 befand sich das komplette Fahrzeug für ca. eine Woche beim Stapler -
Hersteller. Dort wurden staplertypische Kenndaten aufgenommen. Bei dieser Gelegenheit
wurden die Regelungen der Hydraulikmotoren justiert, um Stromspitzen und damit
verbundene Ausfälle der Brennstoffzellenanlage zu reduzieren. Die früher vom Hersteller der
Brennstoffzellenanlage vorgeschlagene Änderung des Abschaltkonzepts wurde angesichts
dieser Verbesserungen nicht weiter verfolgt. Ferner wurde das für den Einsatz als
Arbeitsgerät erforderliche Lastdiagramm neu ermittelt, da sich durch den Einbau der
Brennstoffzellenanlage anstelle eines Batteriesatzes die Gewichtsverhältnisse des Serien-
Staplers geändert hatten.
Das ursprünglich für die bereits erwähnten Versuche mit der alkalischen
Brennstoffzellenanlage installierte Hybridsystem wurde für station äre Versuche der Membran-
Brennstoffzellenanlage (Simulation von Fahrzyklen) umgerüstet. Mit dem damit vorhandenen
System kann die Membran-Brennstoffzellenanlage mit beliebig vorprogrammierbaren
Leistungskurven bis zur Nennleistung belastet werden.
Mitte Oktober 1998 wurde die Änderung des Datenübertragungsmodus zwischen Stapler und
übergeordneter Leittechnik im stationären Testbetrieb durchgeführt, um den bis dahin immer
wieder aufgetretenen Datenstau zu vermeiden.
Ab Mitte März 1998 traten häufig Fehlermeldungen auf, die zu Abschaltungen der
Brennstoffzellenanlage führten und deren Ursache in der Konfiguration der Steuerung lag. In
Zusammenarbeit mit dem Lieferanten konnten die Schwierigkeiten beseitigt werden.
Zur Behebung von Problemen mit dem Sekund är-Kühlwasserkreislauf mußte im Frühjahr
1999 der Motor der Kühlwasserpumpe überholt werden.
Der Versuchsbetrieb verläuft hinreichend zufriedenstellend. Er bestätigt die erwartete Eignung
der Membran-Brennstoffzellenanlage für den Traktionseinsatz. Generell ist die luftatmende
Membran-Brennstoffzellen-Technologie als elektrochemische Stromquelle insbesondere für
einen zukünftigen Einsatz in (hier gasversorgten) Elektrofahrzeugen prädestiniert. Das
dynamische Verhalten der Neunburger Brennstoffzellenanlage entspricht den Anforderungen,
die an ein modernes Elektrofahrzeug wie auch an einen PKW gestellt werden. Lastsprünge
von 0 auf Nennstrom (194 A) bereiten ebensowenig Probleme, wie simulierte Norm-
Fahrprofile, beispielsweise der amerikanische PKW-Stadtzyklus FTP 75.
Als Wasserstoffspeicher kommt in Neunburg vorm Wald die bei Staplern gewichtsm äßig
sogar vorteilhafte Metall-Hydridtechnik zum Einsatz, wobei die Nutzkapazit ät von 2 x 13 m
H2 auf einen 8-Stunden-Betrieb des Staplers bei durchschnittlichem Leistungsbedarf
ausgelegt ist. Die angestrebte Beladungsdauer des Metall-Hydridspeichers von ca. 10 min.
wird erreicht, die dabei entstehende Wärme wird über einen externen Kühlwasser-Kreislauf
abgeführt.
Somit ergibt sich für die SWB die Möglichkeit, neben der bereits eingesetzten Wasserstoff
Druckgas- und Flüssig-Wasserstoff-Technologie eine dritte, wichtige Speichertechnik im
praktischen Versuchsbetrieb zu erproben und entsprechende Erfahrungen zu sammeln. Die
Beladung des Metall-Hydridspeichers erfolgt dabei aus dem SWB-Gaselager bei Drücken
zwischen 10 und 30 bar. Die zugehörige GH2-Tankstelle (siehe Abb. 8) befindet sich in der
Betriebsgebäudehalle.
4.6 LH2-Betankung
Als Energieträger ist Wasserstoff wegen seiner chemischen Eigenschaften umweltfreundlich
und daher als Treibstoff für Fahrzeuge gut geeignet, die keine lokalen Emissionen
verursachen dürfen.
Von 1991 bis 1996 wurde in Neunburg vorm Wald die PKW-Betankung mit LH 2 optimiert.
Dazu wurde eine LH2-Tankstelle errichtet, siehe Abb. 9.

Abb. 9: Automatische LH 2-Betankung von Versuchsfahrzeugen
Über den Druck im 3.000 l Standtank wird LH2 entsprechend der Dampfdruckkurve
konditioniert. Die Umfüllung in den Fahrzeugtank kann in Neunburg vorm Wald sowohl durch
Überdruck im Standtank, als auch mittels einer LH2-Pumpe programmgesteuert erfolgen. Der
Kupplungsvorgang zwischen LH2-Tankstelle und -Fahrzeug wird manuell, die LH2-Umfüllung
programmgesteuert durchgeführt.
Mit den bei der SWB gewonnenen Versuchsergebnissen wurde die LH2-Tankstelle seit 1992
sukzessive so weit optimiert, daß die Zeit für einen kompletten rückgasfreien (verlustfreien)
Betankungsvorgang eines 125 -Liter Fahrzeugtanks schließlich auf ca. 3 Minuten verkürzt
werden konnte. Folgebetankungen sind sofort möglich. Erreicht wurde dies insbesondere
durch die von SWB beauftragte Entwicklung neuer kaltziehbarer Kupplungssysteme zwischen
Tankstelle und Fahrzeug sowie eines Fahrzeugtanksystems ohne Kryoventile.
Die Optimierung der automatischen LH2-Tankstelle der Projektphase 1 war damit
abgeschlossen. Die LH 2-Tankstelle wird seit Januar 1997 nicht mehr betrieben. Sie steht
jedoch mit dem jüngsten Fahrzeugtanksystem und dem kaltziehbaren, koaxialen
Kupplungssystem weiter vor Ort zur Ankopplungsdemonstration zur Verf ügung.
5. Übergeordnete Erkenntnisse

Im Verlauf des SWB-Projekts Neunburg vorm Wald hat sich herausgestellt, daß Wasserstoff-
Systeme zur Energiewandlung derzeit meist nur als Prototypen bzw. Neuentwicklungen zu
kaufen sind und sich ihre Integration zu sinnvollen Gesamtkonzepten häufig schwieriger
gestaltet, als gemeinhin vermutet. So werden besonders Umfang und Komplexität der
zugehörigen Anlagenperipherie häufig unterschätzt.
Die Vielzahl notwendiger Betriebsmitteleinrichtungen und Nebensysteme unterstreicht den
Sachverhalt, daß komplexere Anlagen auf dem Gebiet Wasserstoff als Energieträger
individuell zu planende Systeme des verfahrenstechnischen Anlagenbaus sind.
Möglichst gebündelte Erzeugung, Speicherung und anschließende energetische Nutzung
drängen sich nicht nur aus Kostengründen, sondern auch hinsichtlich einer optimalen
Betreuung und sicherheitstechnischen Ausstattung auf.
Ferner ist - abweichend vom Konzept in Neunburg vorm Wald - anzuregen, größere
Anlagenteilsysteme der Gaserzeugung und -nutzung im Freien aufzustellen. Die
Entscheidung (zum Teil auch Lieferantenforderung), aus Betreuungs-, Wartungs- und
Objektschutzgründen die meisten Prototypen in eine gemeinsame Betriebsgeb äudehalle zu
stellen, zieht eine aufwendige Peripherie der Gesamtanlage nach sich und ist letztlich nicht
notwendig. Oft mußten wegen Arbeiten an einem einzelnen System größere Bereiche der
Gesamtanlage abgeschaltet bzw. die gesamte Betriebsgebäudehalle in einen inertisierten
Zustand gebracht werden.
Da in einer Demonstrations- und Versuchsanlage der vorstehend beschriebenen,
gewünschten Komplexität fast immer irgendwo gearbeitet wird, ist davon die
Betriebsstundenstatistik einzelner Systeme deutlich geprägt, wie auch aus Abb. 4
nachvollziehbar ist.
Die installierte umfangreiche Meßdatenerfassung ist die Basis für eine belastbare Auswertung
und Dokumentation der vielfältigen Versuchsprogramme.
Erwähnenswert ist ferner, daß in Neunburg vorm Wald nicht nur - wie häufig üblich - die
Schnittstellen zwischen verschiedenen Anlagensystemen sondern darüber hinaus auch
Vorgänge innerhalb der Geräte selbst untersucht werden.
Seit ca. zehn Jahren wird die weitgehend aus Prototypen/Neuentwicklungen aufgebaute
Gesamtanlage problemlos und sicher betrieben, nicht zuletzt aufgrund einer ausreichenden
Sicherheitstechnik und der Erfahrung des eingesetzten Personals. Abgesehen von einem
lokalen Kabelbrand im März 1991, der von der Betriebsmannschaft mit Handfeuerlöschern
erstickt werden konnte, traten sicherheitstechnisch keine kritischen Ereignisse auf.
Generell läßt sich feststellen, daß viele der gelieferten Systeme der Solar-Wasserstoff-Anlage
anfangs nicht zufriedenstellend arbeiteten.
Die SWB war jedoch bisher in der Lage, so gut wie alle - auch zwischenzeitlich neu -
aufgetretenen Probleme sowohl an einzelnen Teilsystemen als auch bei deren
Zusammenwirken zufriedenstellend zu lösen. Vielfach konnten zudem - meist in
Zusammenarbeit mit den Lieferanten - z.T. deutliche Verbesserungen erarbeitet werden.
Im Verlauf des Projekts konnte eine Reihe von Neuentwicklungen mit angestoßen werden.
Dies betrifft - siehe dazu auch Abb. 2 - neben einigen kristallinen Solarzellentechniken (z. B.
AS Hybrid, HE und BSF) den alkalischen Niederdruck-Elektrolyseur, die beiden
Gasheizkessel, das katalytische Heizgerät und die Absorptionskälteanlage mit katalytisch
beheiztem Austreiber, den Einsatz eines alkalischen Druck-Elektrolyseurs, die luftatmende
Membran-Brennstoffzellenanlage sowie zwei fortgeschrittene Kupplungssysteme und ein
PKW-Tanksystem ohne Kryoventile für die LH2-Betankung von Versuchsfahrzeugen. Auch
mit diesen Entwicklungsanstößen ist die SWB einem wichtigen Teil ihrer Zielsetzung gerecht
geworden. Einige Firmen haben, wie erwähnt, zwischenzeitlich ihre Aktivitäten auf dem
Gebiet der bei der SWB getesteten Anlagenteilsysteme eingestellt. Für die SWB bedeutet das
zum einen auslaufende bzw. sehr erschwerte Möglichkeiten der Ersatzteilversorgung, zum
anderen aber, daß meist nicht mit Weiterentwicklungen auf den gewonnenen Ergebnissen
aufgebaut werden kann.
Die Zusammenarbeit mit den Genehmigungsbehörden ist gut und konstruktiv.
6. Energiewirtschaftliche Einschätzung, Perspektiven

Die Idee einer Energiewirtschaft auf Basis von (Solar-) Wasserstoff als Energieträger wurde
durch das Projekt Neunburg vorm Wald in vielfältiger Weise weitergebracht.
Der langjährige, praxisorientierte Anlagenbetrieb und die geschaffene belastbare Datenbasis
aus den Ergebnissen der vielfältigen, seit 1990 laufenden Versuchskampagnen zeigen die
technische Machbarkeit einer Energiewirtschaft mit (Solar-)Wasserstoff als Energieträger.
Aus den Arbeiten auch der SWB folgt die Einschätzung, daß eine derartige Energiewirtschaft
erst nach einem erheblichen Ausbau regenerativer Stromerzeugung beginnen sollte. Erst
wenn der so erzeugte Strom nicht mehr zeitgleich unter Verdrängung fossiler Energieträger
verbraucht werden kann, wird eine Energiespeicherung sinnvoll. Wasserstoff und elektrischer
Strom sind keine konkurrierenden Alternativen.
Die Entscheidung zugunsten eines Langzeit-Energiespeichers auf Basis Wasserstoff steht
derzeit nicht an. Auch in Zukunft wird wohl ein ausgewogener Energiemix weiter zweckmäßig
sein. Auf längere Sicht könnte Wasserstoff jedoch zunehmend gute Chancen haben.
Bei Einsatz von Wasserstoff als Energieträger kann eine Umweltentlastung dann eintreten,
wenn es gelingt, seine Erzeugung im großen Stil auf regenerative Energien abzustützen.
Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger außerhalb von Nischen erscheint in
absehbarer Zeit unrealistisch.
Eine Ausnahme könnte aus heutiger Sicht der Verkehr darstellen, der zur
Immissionsentlastung in Ballungsgebieten wohl auf einen gut speicherbaren, sauberen
Energieträger angewiesen sein wird.
Weiterhin gibt es Anstrengungen, infolge der niedrigen Emissionen sowie des höheren
elektrischen und Gesamtwirkungsgrads vornehmlich erdgasversorgte Kraft-Wärme-
Kopplungsanlagen auf Basis kommerzieller phosphorsaurer und Karbonatschmelze-
Brennstoffzellenanlagen gegenüber Gasmotoren konkurrenzf ähig zu machen. Dabei sollte auf
ein für nachgeschaltete Anwendungen attraktives Temperaturniveau der Wärmeauskopplung
geachtet werden. Auch Membran- und Festoxid -Brennstoffzellenanlagen im Erdgaseinsatz
werden derzeit insbesondere für den klein-stationären Bereich erprobt.
Im Rahmen denkbarer Veränderungen/ Übergangsszenarien der Energieversorgung ist so
zumindest der indirekte Einsatz von Wasserstoff als Energieträger gegeben.
Realistisch erscheinende Kostensenkungspotentiale bei einzelnen Anlagensystemen sollten
weiterverfolgt werden, um sich sukzessive den Verhältnissen der jeweils gegebenen
Konkurrenzsysteme anzunähern.
Die in Neunburg vorm Wald geleisteten Arbeiten auf dem Wasserstoffsektor - sie stellen den
Schwerpunkt des Engagements dar - liefern auch losgelöst von der hier genutzten
Photovoltaik zur CO2-freien Stromerzeugung wertvolle Kenntnisse für entsprechende
Wasserstoffszenarien.
Gezeigt hat sich ferner, daß wegen der verfahrenstechnischen und elektrochemischen
Schwerpunkte dieser Wasserstoff-Systeme die Verwandtschaft zum verfahrenstechnischen
Anlagenbau größer ist, als man es hinter den Stichw örtern "solar", "regenerativ", wo
Wasserstoff als Energieträger oft mit eingeordnet wird, vermuten würde.
Das zur Verf ügung stehende, über dreizehn Jahre gewachsene, fundierte Know-how der
SWB ist durch die Realisierung des beschriebenen, umfassenden Demonstrationsprojekts
breit gef ächert und wird auch weiterf ührend, z.B. bei der Konzeption und ggf. nachfolgenden
Abwicklung anderer (Solar-) Wasserstoff-Vorhaben, genutzt. Dabei hilft auch die erfolgreiche
Wiedereingliederung von SWB-Mitarbeitern in Gesellschafterfirmen.
Viele der in Neunburg vorm Wald getesteten Technologien haben bei den SWB-
Gesellschaftern inzwischen feste Plätze eingenommen, mit individuellen Schwerpunkten.
Nach Aussage des Bayerischen Wirtschaftsministeriums (BStMWVT) wurde mit der
Förderung des Projekts Neunburg vorm Wald der Grundstein für den Einstieg in die
Technologie "Wasserstoff als Energieträger" gelegt. Ferner bilden die aus dem Projekt
gewonnenen Erkenntnisse die Grundlage für eine Reihe von Folgevorhaben. Dazu gehören
Aktivitäten der Koordinationsstelle der Wasserstoff-Initiative Bayern, das Wasserstoffprojekt

Flughafen München, das Projekt Brennstoffzellenantrieb für städtische Nutzfahrzeuge, die 1
MW Photovoltaikanlage Neue Messe München.
Die vielfältigen Erkenntnisse aus dem SWB-Projekt Neunburg vorm Wald sprechen für die
Zweckmäßigkeit bzw. Notwendigkeit, neben Grundlagenforschung und Entwicklungsvorhaben
auch weiterhin technologisch orientierte Demonstrations- und Versuchsprojekte im
industriellen Maßstab zur praxisnahen Erprobung von Prototypen/Vorseriengeräten mit
zugehöriger Peripherie durchzuführen.
Durch einen derartigen Einsatz von Wasserstoff als Energieträger - zunehmend unter
Beachtung der Wirtschaftlichkeit im operativen Einsatz - wird die Markteinführung weiter
unterstützt.