Kostenanalyse und Kostensenkungspotentiale für elektrochemische Energieumwandlungssysteme mit Brennstoffzellen

Hinsberger, Martina

Kostenanalyse und Kostensenkungspotentiale für elektrochemische Energieumwandlungssysteme mit Brennstoffzellen

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Die Energieerzeugung mit Brennstoffzellen wird seit einigen Jahren intensiv erforscht für mobile, stationäre und portable Anwendungen. Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass durch den elektrochemischen Konvertierungsvorgang bei hohem elektrischen Wirkungsgrad CO2-Emissionen und limitierte Emissionen und damit Rohstoffe bei der Strom- und Wärmeerzeugung eingespart werden. Die Brennstoffzellentechnologie ist außerdem wegweisend für den zukünftigen verstärkten Einsatz regenerativer Energien und die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft.
Die vorliegende Arbeit untersucht neben dem Systemaufbau die derzeitigen Investitions- und Stromgestehungskosten für die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) und die Membranbrennstoffzelle (PEMFC) im stationären Bereich. Beide Systeme werden als kleinere (200-250 kW) Blockheizkraftwerke eingesetzt, wobei die PAFC der Fa. ONSI mit weltweit über 200 verkauften Anlagen derzeit eine führende Rolle einnimmt. Eine detaillierte Kostenanalyse ergibt Stromgestehungskosten von 34 bzw. 83 Pf/kWh für PAFC und PEMFC, womit diese gegenwärtig nicht konkurrenzfähig gegenüber konventionellen Systemen sind. Der Grund hierfür ist hauptsächlich in den hohen Investitionskosten von 10.000 DM/kWel bzw. 30.000 DM/kWel zu suchen.
In einem zweiten Schritt wurden aus den Ergebnissen der Kostenanalyse Kostensenkungspotentiale abgeleitet. Nach Lernkurvenmodellen der Preis- und Produktionskostentheorie reduzieren sich Anlagenkosten bei jeder Verdopplung der Produktion um einen konstanten Betrag. Gründe hierfür liegen in der technischen Weiterentwicklung (z.B. kostengünstigere Materialien bzw. verringerter Materialbedarf) und der Einführung der Serienfertigung. Da PAFC-Systeme technisch weitgehend ausgereift sind, ist das größte Potential hier in der Erhöhung des Produktionsvolumens zu sehen. ONSI strebt bis zum Jahr 2003 eine Produktion von 200 Anlagen pro Jahr an und könnte somit bei einer kumulierten Produktion von ungefähr 135.000 kW Kosten von $300.000 (bzw. ca. 600.000 DM) pro Anlage oder $1500/kW (bzw. ca. 3.000 DM/kW) erzielen. Hierzu müßte der Lernerfolg jedoch 33 % betragen. Trotz der bisherigen Produktionserfahrung liegt er jedoch bei nur 17%. Es bleibt ferner festzustellen, dass der Anlagenpreis der PAFC in den letzten Jahren kaum gefallen ist, d.h. die Kostenersparnisse nicht an die Kunden weitergegeben wurden. Womöglich wird dieser Typ daher mittelfristig von der PEMFC verdrängt, falls Synergien […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

ID 6701

Hinsberger, Martina: Kostenanalyse und Kostensenkungspotentiale für elektrochemische

Energieumwandlungssysteme mit Brennstoffzellen

Hamburg: Diplomica GmbH, 2003

Zugl.: Trier, Fachhochschule, Diplomarbeit, 2002

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Diplomica GmbH

http://www.diplom.de, Hamburg 2003

Printed in Germany

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

I Danksagung...5

II Abkürzungsverzeichnis...6

0 Zusammenfassung...8

1 Einleitung...10

2 Aufgabenstellung...15

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie...16

3.1 Die

Brennstoffzelle...16

3.1.1 Aufbau und Funktionsprinzip der Brennstoffzelle...16

3.1.2 Anwendungsgebiete

für

Brennstoffzellen... 19

3.1.3 Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen...23

3.2

PEMFC- Proton Exchange Membrane Fuel Cell...30

3.2.1 Das

Brennstoffzellensystem...30

3.2.2 Anwendung...33

3.2.3 Vor-

und

Nachteile...37

3.3

PAFC- Phosphoric Acid Fuel Cell...38

3.3.1 Das

Brennstoffzellensystem...38

3.3.2 Anwendung...39

3.2.3 Vor-

und

Nachteile...39

3.4

MCFC- Molten Carbonate Fuel Cell...40

3.4.1 Das

Brennstoffzellensystem...40

3.4.2 Anwendung...41

3.2.3 Vor-

und

Nachteile...43

3.5

SOFC- Solid Oxide Fuel Cell...44

3.5.1 Das

Brennstoffzellensystem...44

3.5.2 Anwendung...46

3.2.3 Vor-

und

Nachteile...46

3.6 Zusammenfassung...48

4 Brenngasaufbereitung...49

4.1 Reformierung...50

4.1.1 Dampfreformierung...50

4.1.2 Partielle

Oxidation (POX)...51

4.1.3 Autotherme

Reformierung...52

4.1.4 Shift-Stufe...53

4.1.5 Rußbildung...53

4.2 Gasreinigung...54

4.2.1 Schwefel...54

4.2.2 Kohlenmonoxid...55

4.2.3 Kohlendioxid...56

4.2.4 Ammoniak...57

4.3

Vor- und Nachteile der wichtigsten einsetzbaren Brennstoffe...58

Inhaltsverzeichnis

5 Kostenanalyse...60

5.1 Allgemeine

Vorgehensweise...60

5.2 PAFC...63

5.2.1 Systembeschreibung...64

5.2.2 Stromgestehungskosten...67

5.3 PEMFC...73

5.3.1 Systembeschreibung...74

5.3.2 Stromgestehungskosten...76

5.4

Ergebnis und Diskussion...80

6 Kostensenkung...81

6.1 Technische

Anforderungen...81

6.1.1 PAFC...81

6.1.2 PEMFC...82

6.2 Wirtschaftliche

Anforderungen...83

6.2.1 PAFC...83

6.2.2 PEMFC...93

6.2.3 Weitere

Einflußfaktoren...97

Maßnahmen für den Markteinstieg von Brennstoffzellen...100

8 Schlußfolgerungen...104

III Literaturverzeichnis...105

IV Abbildungsverzeichnis...113

V Anhang

1...116

VI Abhang

2...130

Danksagung

I Danksagung

Mein Dank gilt allen, die mich bei der Erstellung der Diplomarbeit unterstützt

haben. Ganz besonders bedanken möchte ich mich bei:

Herrn Prof. Dr.-Ing. Gregor Hoogers für die Überlassung des Themas und

die ausgezeichnete Betreuung.

Herrn Prof. Dr. Klaus Helling für die fachliche Betreuung und die

konstruktiven Diskussionen.

Herrn Prof. Dr. Bernd Höhlein für die freundliche Betreuung und das

beständige Interesse an meiner Arbeit.

Herrn Dr. Ahmed Lokurlu für die gute Zusammenarbeit und die fachliche

Unterstützung.

allen Mitarbeitern des Instituts für Werkstoffe und Verfahren der

Energietechnik für das gute Arbeitsklima und die stetige Hilfsbereitschaft.

Desweiteren möchte ich meinen Eltern für die dauerhafte finanzielle

Unterstützung während des Studiums danken.

Abkürzungsverzeichnis

II Abkürzungsverzeichnis

AFC

Alkaline Fuel Cell

BGS

Ballard Generation Systems

BHKW Blockheizkraftwerk

BMBF

Bundesministerium für Bildung und Forschung

BZ Brennstoffzelle

Methan

CO Kohlenmonoxid

Kohlendioxid

Cu Kupfer

Fuel Cell

FCKW Fluorchlorkohlenwasserstoffe

FuE

Forschung und Entwicklung

Wasserstoff

O Wasser

Posphorsäure

HC Kohlenwasserstoffe

HKW Heizkraftwerk

KW Kraftwerk

KWK Kraft-Wärme-Kopplung

MCFC

Molten Carbonate Fuel Cell

MEA

Membrane Electrode Assembly

MeOH

Methanol

MTU

Motoren- und Turbinen Union

Ammoniak

Stickoxide

O Distickoxid

PAFC

Phosphoric Acid Fuel Cell

Pd Palladium

PEFC

Polymer Electrolyte Fuel Cell

PEMFC

Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

PROX

Preferential Oxidation

Pt Platin

Ru Ruthenium

S Schwefel

SiC Siliziumcarbid

Schwefeldioxid

Abkürzungsverzeichnis

SOFC

Solide Oxide Fuel Cell

Schwefeloxide

SPFC

Solide Polymer Fuel Cell

SWPC

Siemens Westinghouse Power Coorporation

YSZ

Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid

Zn Zink

Zusammenfassung

0 Zusammenfassung

Die Energieerzeugung mit Brennstoffzellen wird seit einigen Jahren intensiv er-

forscht für mobile, stationäre und portable Anwendungen. Brennstoffzellen haben

den Vorteil, dass durch den elektrochemischen Konvertierungsvorgang bei hohem

elektrischen Wirkungsgrad CO

-Emissionen und limitierte Emissionen und damit

Rohstoffe bei der Strom- und Wärmeerzeugung eingespart werden. Die Brenn-

stoffzellentechnologie ist außerdem wegweisend für den zukünftigen verstärkten

Einsatz regenerativer Energien und die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft.

Die vorliegende Arbeit untersucht neben dem Systemaufbau die derzeitigen In-

vestitions- und Stromgestehungskosten für die phosphorsaure Brennstoffzelle

(PAFC) und die Membranbrennstoffzelle (PEMFC) im stationären Bereich. Beide

Systeme werden als kleinere (200-250 kW) Blockheizkraftwerke eingesetzt, wobei

die PAFC der Fa. ONSI mit weltweit über 200 verkauften Anlagen derzeit eine

führende Rolle einnimmt. Eine detaillierte Kostenanalyse ergibt Stromgeste-

hungskosten von 34 bzw. 83 Pf/kWh für PAFC und PEMFC, womit diese gegen-

wärtig nicht konkurrenzfähig gegenüber konventionellen Systemen sind. Der

Grund hierfür ist hauptsächlich in den hohen Investitionskosten von 10.000

DM/kW

bzw. 30.000 DM/kW

zu suchen.

In einem zweiten Schritt wurden aus den Ergebnissen der Kostenanalyse Kosten-

senkungspotentiale abgeleitet. Nach Lernkurvenmodellen der Preis- und Produk-

tionskostentheorie reduzieren sich Anlagenkosten bei jeder Verdopplung der Pro-

duktion um einen konstanten Betrag. Gründe hierfür liegen in der technischen

Weiterentwicklung (z.B. kostengünstigere Materialien bzw. verringerter Material-

bedarf) und der Einführung der Serienfertigung. Da PAFC-Systeme technisch

weitgehend ausgereift sind, ist das größte Potential hier in der Erhöhung des Pro-

duktionsvolumens zu sehen. ONSI strebt bis zum Jahr 2003 eine Produktion von

200 Anlagen pro Jahr an und könnte somit bei einer kumulierten Produktion von

ungefähr 135.000 kW Kosten von $300.000 (bzw. ca. 600.000 DM) pro Anlage

oder $1500/kW (bzw. ca. 3.000 DM/kW) erzielen. Hierzu müßte der Lernerfolg

jedoch 33 % betragen. Trotz der bisherigen Produktionserfahrung liegt er jedoch

bei ,,nur" 17%. Es bleibt ferner festzustellen, dass der Anlagenpreis der PAFC in

den letzten Jahren kaum gefallen ist, d.h. die Kostenersparnisse nicht an die

Kunden weitergegeben wurden. Womöglich wird dieser Typ daher mittelfristig von

der PEMFC verdrängt, falls Synergien durch den geplanten massiven Einsatz der

Membranbrennstoffzelle im Automobilbereich realisiert werden können.

Zusammenfassung

Die PEMFC ist technisch noch nicht ausgereift, d.h. die Kosten können auch

durch technische Fortschritte gesenkt werden. Solche Fortschritte sind vor allem

im Bereich der Bipolarplatten, Membranen und Elektroden zu erwarten, die drei

Viertel der reinen Materialkosten des Stacks ausmachen. Noch wichtiger ist die

Verringerung der Herstellkosten (zur Zeit drei Viertel der gesamten Stackkosten)

durch einfacher zu verarbeitende Materialien und neue Herstelltechniken für die

Massenproduktion.

Neben den Investitionskosten beeinflussen Betriebskosten wie Brennstoffkosten,

Wartung und Instandhaltung die Stromgestehungskosten. Aufgrund des höheren

Wirkungsgrades versprechen Brennstoffzellensysteme niedrigere Brennstoffkos-

ten als herkömmliche BHKWs. Die derzeit hohen Kosten für Wartung und In-

standhaltung sollten mit zunehmender Optimierung der peripheren Systeme unter

denen herkömmlicher Systeme liegen, da die Brennstoffzelle selbst keine beweg-

lichen Teile besitzt.

Mit Hilfe staatlicher Fördermittel kann das Potential zur technischen Weiterent-

wicklung von Brennstoffzellensystemen genutzt und die Erhöhung des Produkti-

ons- und Absatzvolumens realisiert werden. Dies hat zur Folge, dass Investitions-,

Wartungs- und Instandhaltungskosten soweit reduziert werden, dass zukünftige

Stromgestehungskosten für PAFC- und PEMFC-BHKWs von ca. 10 Pf/kWh mög-

lich sind und Brennstoffzellen-BHKWs in Konkurrenz mit konventionellen Syste-

men treten können.

Einleitung

1 Einleitung

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle- die Erzeugung von Energie durch die

Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser- ist schon seit über 160

Jahren bekannt, jedoch bestand zur damaligen Zeit kein zwingender Grund deren

technische Entwicklung voranzutreiben. Seit die jahrzehntelange Ausbeutung der

Umwelt zunehmend an Natur und Mensch merkbar wird, gewinnen auch umwelt-

bewußte Technologien immer mehr an Bedeutung.

Bisher stieg der weltweite Energieverbrauch von Jahr zu Jahr. Dies wird sich auch

in naher Zukunft nicht ändern- trotz der großen Fortschritte beim rationellen Um-

gang mit Energie (vgl. Abb. 1).

Abbildung 1: steigender Energieverbrauch

Quelle: modifiziert nach UNITED NATIONS 1998

Die Gründe dafür sind folgende:

Erstens nimmt die Weltpopulation weiterhin zu. Selbst nach dem optimistischsten

Szenario, das von den Vereinten Nationen angenommen wurde, nimmt die Bevöl-

kerung erst nach 2043 ab (vgl. Abb. 2). [SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT]

1900 1920 1940 1960 1980 1997 2000

Weltbevölkerung

Primärenergie

Strom

23.000 Mrd. kWh

13.600 Mrd. kWh

19 Mrd. t SKE

13 Mrd. t SKE

8 Mrd.

5,8 Mrd.

Einleitung

Abbildung 2: tatsächliches und prognostiziertes Bevölkerungswachstum

Quelle: modifiziert nach [UNITED NATIONS 1998]

Zweitens sind immer mehr Entwicklungs- und Schwellenländer auf dem Weg zum

Industrieland und haben daher auch einen zunehmenden Energiebedarf. Zum

steigenden Verbrauch trägt beispielsweise die wachsende Zahl der Fahrzeuge

bei. DaimlerChrysler prognostiziert, dass sich die Anzahl der Fahrzeuge weltweit

bis 2030 mehr als verdoppeln wird und zwar auf 1,6 Milliarden. [NURDIN 1999]

Durch den steigenden Energieverbrauch verschärfen sich die Probleme der Luft-

verschmutzung- vor allem in Ballungszentren, der Treibhauseffekt und die Ver-

knappung der Ressourcen.

Die Auswirkungen der Luftverschmutzung wurden erstmals in den Ballungszent-

ren Kaliforniens deutlich, weshalb gesetzliche Regelungen zur Verminderung von

fahrzeugbedingten Emissionen getroffen wurden. 1998 sollten 2 % der Fahrzeuge

emissionsfrei betrieben werden können, im Jahr 2000 5 % und 2003 10 %. Da

Elektrofahrzeuge nicht die gestellten Erwartungen erfüllen konnten, da ihre

Reichweite nicht genügend groß ist, werden nun brennstoffzellenbetriebende

Fahrzeuge als die wahrscheinlichste Alternative zum Verbrennungsmotor ange-

sehen.

1950

1970

1990

2010

2030

2050

Weltbevölkerung in Mrd.

Hohe Wachstumsrate

Mittlere Wachstumsrate

Niedrige Wachstumsrate

Einleitung

Brennstoffzellen wären in Kraftfahrzeugen von Vorteil, da so Emissionen in Bal-

lungszentren extrem reduziert werden könnten. Herkömmliche benzinbetriebene

Fahrzeuge emittieren hauptsächlich zu viele Kohlenwasserstoffe, Dieselmotoren

zu viele Partikel, Stickoxide und Kohlenmonoxid. Durch die ,,kalte Verbrennung"

von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser fallen diese Emissionen in Brennstoff-

zellenfahrzeugen in so geringem Maße an, dass sie vernachläßigbar sind, auch

dann, wenn die Wasserstoffherstellung mit einbezogen wird.

Der gleiche Vorteil gilt für die stationäre Energieversorgung. Ein weiterer Plus-

punkt ist der höhere elektrische Wirkungsgrad, der von einigen Brennstoffzellen-

typen erreicht wird. Dies liegt daran, dass konventionelle Kraftwerke die chemi-

sche Energie des Trägers nicht sofort in elektrische Energie umsetzen, sondern

zuerst Wasserdampf erzeugen, damit eine Turbine antreiben, die den Generator

aktiviert, der schließlich den Strom produziert (vgl. Abb.3).

Abbildung 3: konventionelle Stromerzeugung in einem Kraftwerk

Die Brennstoffzelle erzeugt unmittelbar aus der chemischen Energie des Energie-

trägers den Strom (vgl. Abb. 4) und hat daher auch geringere Verluste zu ver-

zeichnen. Durch diese Art der Energieumwandlung benötigt die Brennstoffzelle im

Gegensatz zu herkömmlichen Stromerzeugungseinheiten keine beweglichen

Komponenten, wodurch der Wartungsaufwand deutlich geringer ist.

Abbildung 4: alternative Stromerzeugung mit Brennstoffzellen

Oft haben konventionelle Kraftwerke und Brennstoffzellenkraftwerke den gleichen

Gesamtwirkungsgrad, jedoch können Brennstoffzellensysteme eine höhere

Stromkennzahl- das Verhältnis aus produziertem Strom und produzierter Wärme-

nachweisen. Dies ist daher von Vorteil, da Strom meistens das eigentlich er-

wünschte Produkt der Energieumwandlung in Kraftwerken ist, denn die entste-

hende Wärme kann oftmals nicht vollständig genutzt werden.

Brennstoff

Kessel

Dampfturbine

Generator

Chemische Energie

Wärmeenergie

Mechanische Energie

Elektrische Energie

Brennstoff

Brennstoffzelle

Chemische Energie

Elektrische Energie

Einleitung

Durch den höheren elektrischen Wirkungsgrad werden außerdem noch Kohlendi-

oxidemissionen und wertvolle Ressourcen eingespart.

Der Treibhauseffekt wird u.a. durch Kohlendioxidemissionen hervorgerufen

Zur

Entstehung dieses Gases tragen beispielsweise die Sektoren ,,Kraftwerke" und

,,Verkehr" bei (vgl. Abb. 5). Diese stellen zwei der Anwendungsgebiete dar, in de-

nen Brennstoffzellen ihren Einsatz finden und daher auch zur CO

-Reduktion bei-

tragen könnten.

Abbildung 5: Anteil der Gase am Treibhauseffekt und Anteil der unter-

schiedlichen Sektoren an der CO

-Produktion

Quelle: modifiziert nach http://www-iwe.etec.uni-karlsruhe.de/www/search/index.html

Geht man davon aus, dass der Energieverbrauch weiter ansteigt (s. o.), dann sind

Natururan, Erdgas und Erdöl schon in weniger als 50 Jahren verbraucht, Kohle

nach ca. 120 Jahren (vgl. Abb.6). Auch Brennstoffzellen müssen derzeit noch auf

Primärenergieträger wie z.B. Erdgas zurückgreifen, da der Wasserstoff noch nicht

aus natürlichen Quellen bezogen werden kann. Durch den höheren elektrischen

Wirkungsgrad der Brennstoffzellensysteme jedoch, kann mit einem geringeren

Einsatz an Primärenergieträger die gleiche Menge Strom produziert werden.

CO2

50%

Kraftwerke

11%

Industrie

10%

Verkehr

Biomasse

Brandrodung

Haushalte, Handel,

Gewerbe

Sonstige

CH4

13%

FCKW

22%

N2O

5% H2O

Einleitung

Abbildung 6: Verfügbarkeit von Primärenergieträgern

Quelle: modifiziert nach http://www.innovation-brennstoffzelle.de/index.html

Die Brennstoffzellentechnologie ist weiterhin eine zukunftsträchtige Technologie,

die den verstärkten Einsatz regenerativer Energien und die Entwicklung einer

Wasserstoffwirtschaft fördern würde. Überschüssig anfallender Strom könnte in

Form von Wasserstoff gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt effi-

zient in Brennstoffzellen wieder zu Strom umgewandelt werden.

Neben dem mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen, Raumschiffen, U-Booten usw.

und dem stationären Einsatz in Anlagen für die Energieversorgung einzelner

Wohnhäuser bis hin zur zentralen Stromerzeugung, können Brennstoffzellen auch

in portablen Gebrauchsgegenständen, wie beispielsweise Handys, Laptops und

tragbaren Generatoren verwendet werden.

Größter Nachteil der Brennstoffzellen sind die Kosten, die derzeit für viele An-

wendungen noch zu hoch sind und daher die Markteinführung problematisch ma-

chen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die meisten hergestellten Brennstoff-

zellensysteme Prototypen sind, die noch nicht in Massenproduktion hergestellt

werden und deren Preise daher noch nicht mit denen herkömmlicher Systeme

konkurrieren können.

Erdgas

Natururan

Kohle

Erdöl

100

150

200 250

Aufgabenstellung

2 Aufgabenstellung

Um die Brennstoffzelle(nsysteme) konkurrenzfähig gegenüber den

konventionellen Techniken machen zu können und eine nennenswerte

Markteinführung zu ermöglichen, müssen nicht nur technische Anforderungen wie

zum Beispiel Mindestlebensdauer, Anfahr- und Lastwechselverhalten, sondern

auch wirtschaftliche Kriterien erfüllt werden. Das heißt konkret, dass die

Anschaffungs- und Betriebskosten eines alternativen Systems mit Brennstoffzelle

nicht die eines vergleichbaren, herkömmlich eingesetzten Systems übersteigen

dürfen- abgesehen von einigen Nischenanwendungen wie z.B. in der Raumfahrt.

In einem ersten Schritt wird die heutige Kostensituation von PAFC- und PEMFC-

Systemen im stationären Bereich ermittelt, insoweit sich Kostenstrukturen

ergründen lassen. Diese Kostenanalyse erstreckt sich zum einen auf die

Investitionskosten des vollständigen Systems, zum anderen auf die des PEMFC-

Stacks im Speziellen. Desweiteren werden die gesamten Kosten untersucht, die

beim Betrieb einer stationären Anlage entstehen.

Die aus der Analyse resultierenden Kosten werden mit denen der konventionellen

Systeme der Zukunft verglichen. Hieraus ergeben sich Zielkosten für die

elektrochemischen Energieumwandlungssysteme. Diese Zielkosten stellen die

Kostenuntergrenze dar, die mindestens erreicht werden müssen, damit die

alternativen Systeme konkurrenzfähig sind.

Der nächste Teil der Arbeit besteht darin, das Kostensenkungspotential der

Brennstoffzellensysteme genauer zu untersuchen und mit Hilfe von

Sensitivitätsanalysen und Lernkurven auszuwerten.

Schließlich werden einige der Maßnahmen diskutiert, die möglich sind um eine

Kostenreduktion zu bewirken und der Brennstoffzelle zu einer dauerhaften und

starken Marktpräsenz zu verhelfen.

Die nötigen Informationen wurden aus einschlägiger Literatur

zusammengetragen, in Gesprächen mit Fachleuten ermittelt oder durch eigene

Berechnungen ergründet.

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

3 Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

Im Folgenden sollen Funktionsprinzip, Aufbau und Anwendung der Brennstoffzel-

le erläutert werden, um eine Grundlage für die folgende Analyse der Kosten und

Kostensenkungspotentiale zu schaffen.

Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen, die in Nieder-, Mittel- und Hoch-

temperatur-Brennstoffzellen eingeteilt werden können. Ihre Namen haben die Zel-

len durch den jeweils charakteristischen Elektrolyten erhalten. In den folgenden

Unterkapiteln erfolgt zunächst eine allgemeine Beschreibung der Brennstoffzelle,

später eine detaillierte Ausführung zu den unterschiedlichen Brennstoffzellenty-

pen. Eingegangen wird ausschließlich auf die PEMFC, PAFC, MCFC und SOFC

nicht aber auf die DMFC und AFC. Die letztgenannten Zellen sind aufgrund des

relativen Entwicklungstandes (DMFC) und des zwingenden Einsatzes von reinem

Wasser- und Sauerstoff (AFC) hier nicht von Interesse.

3.1 Die Brennstoffzelle

3.1.1 Aufbau und Funktionsprinzip der Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die je-

weils mit einem Katalysator beschichtet sind und dem Elektrolyten, der sich zwi-

schen den beiden Elektroden befindet (vgl. Abb. 7). Bei der planaren Bauweise

(,,Brennstoffzellenstapel") werden die Einzelzellen durch Bipolarplatten voneinan-

der getrennt. Die Bipolarplatten dienen der Zufuhr des Brenngases und des Oxi-

dationsmittels, sowie dem Elektronentransport (Stromtransport) und der Wärme-

abfuhr.

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

Abbildung 7: Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle

Quelle: HOOGERS/THOMPSETT 2000

Der Anode wird das Brenngas zugeführt. Dieses kann Wasserstoff oder wasser-

stoffreiches Gas, sogenanntes Reformat, sein. Bei der Verwendung reinen Was-

serstoffs und Sauerstoffs kann die höchste Leistung erzielt werden. Die verschie-

denen Brennstoffzellentypen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Gas-

reinheit (s. Kap. 4). Unter Einfluß des Katalysators wird- je nach Brennstoffzellen-

typ- entweder der Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten oder die

an der Kathode einströmende Luft wird zu Oxidionen reduziert. Der Elektrolyt

trennt die an den Elektroden bereitgestellten Edukte voneinander und läßt nur

Ionen passieren, damit sich die Zellreaktion in eine Anoden- und eine Kathoden-

reaktion aufspaltet. Je nach Elektrolyt wandern nun entweder Protonen oder Oxi-

dionen durch das Medium und werden an der gegenüberliegenden Elektrode mit

Sauerstoff oder Wasserstoff zu Wasser, elektrischer Energie und Wärmeenergie

umgewandelt. (vgl. Abb. 8)

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

Abbildung 8: Funktionsprinzip der Brennstoffzelle (alle Typen)

Quelle: LEDJEFF et al. 1995

Der Katalysator sorgt dafür, dass die Reaktion schneller bzw. bei einer niedrige-

ren Zelltemperatur abläuft. Die Reaktionen in der Zelle sind von Typ zu Typ unter-

schiedlich und werden daher ausführlicher in den jeweiligen Kapiteln ,,Das Brenn-

stoffzellensystem" (3.2.1, 3.3.1 usw.) behandelt.

Der entstehende Strom wird an den elektrisch leitfähigen Bipolarplatten abgegrif-

fen und an den Verbraucher weitergeleitet. Weiterhin dienen die Platten mit ihren

eingefrästen Rillen dazu, die einströmenden Gase gleichmäßig in der Zelle zu

verteilen und von dem Gas der benachbarten Zelle zu trennen. (vgl. Abb. 9)

Werden diese Einheiten in Reihe geschaltet, erhält man eine höhere Spannung

und damit eine kumulierte Leistung. Kanäle auf beiden Seiten des Stacks (Stapel

von hintereinandergeschalteten Brennstoffzellen) liefern den Brenn- und Sauer-

stoff.

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

Abbildung 9: Brennstoffzellenstack

Quelle: HOOGERES/POTTER 1999

3.1.2 Anwendungsgebiete für Brennstoffzellen

Wie in Abbildung 10 dargestellt, können die Einsatzbereiche unterteilt werden in

stationär, portabel und mobil. Die umrandeten Anwendungen stellen Nischen-

märkte dar, in denen die Kosten zweitrangig gegenüber anderen speziellen An-

forderungen sind.

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

Abbildung 10: Übersicht über die Einsatzbereiche von Brennstoffzellen

Quelle: STOLTEN 1999

3.1.2.1 Mobiler Bereich

Als die Brennstoffzelle in den 60er Jahren erstmals praktisch eingesetzt wurde,

wurde sie hauptsächlich in der Raumfahrt (100 kW) verwendet, da eine zuverläs-

sige Energieversorgung Voraussetzung für die Lebenserhaltung und die Durch-

führung von Experimenten im Weltall ist. Ferner arbeiten Brennstoffzellen vibrati-

onslos und Sauerstoff und Wasserstoff können ohne größere Probleme in Tanks

mitgeführt werden. Durch die elektrochemischen Reaktionen in der Zelle wird

nicht nur Strom, sondern auch trinkbares Wasser produziert. In den Gemini-

Missionen wurden PEM-Brennstoffzellen eingesetzt, in den darauf folgenden Mis-

sionen (z.B. Apollo-Flüge, im Space-Shuttle) wurden AFCs eingesetzt, da die da-

mals eingesetzten ionenleitenden Membranen eine zu geringe Lebensdauer auf-

wiesen.

Eine weitere Nischenanwendung, stellt die Energieversorgung von U-Booten (ca.

300 kW) dar. Technische Anforderungen, die problemlos von der Brennstoffzelle

erfüllt werden können, sind Vibrationsfreiheit und Geräuscharmut. Außerdem

konnte die Tauchzeit mit Hilfe der Brennstoffzelle um den Faktor fünf verlängert

werden.

Treibende Kraft für die Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie der letzten

Jahre ist jedoch der Automobilsektor (70250 kW). Hier liefert die Brennstoffzelle

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

Strom zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mittels eines Elektromotors und zur Bord-

energieversorgung, die mit dem zunehmendem Komfort (Klimaanlage, elektrische

Fensterheber, Navigationssystem usw.) an Bedeutung gewinnt. Wichtige techni-

sche Voraussetzungen, die von Brennstoffzellensystemen erfüllt werden müssen,

sind u.a. eine hohe Leistungsdichte aufgrund des geringen Platzangebots und

eine gute Dynamik (Genaueres zu den Anforderungen an Brennstoffzellensyste-

me in den Kapiteln 5.1.3 und 5.2.3). Diese Anforderungen werden am besten von

der PEMFC erfüllt, die eine Leistungsdichte von bis zu 1,1 kW/l (Ballard-Stack)

[HOOGERS/THOMPSETT 2000] erreicht; schnelle Lastwechsel sind aufgrund

ihrer niedrigen Betriebstemperatur (80-100 °C) realisierbar. Der geringe War-

tungsaufwand (kein Ölwechsel) und die niedrigen lokalen Emissionen (Schadstof-

fe und Lärm) sprechen ebenfalls für den Einsatz von Brennstoffzellen im Automo-

bilsektor. Die meisten großen Fahrzeughersteller (z.B. DaimlerChrysler) haben für

2003/4 ein Brennstoffzellenfahrzeug angekündigt.

[GRUBE et al. 2000], Theenhaus/Bonhoff [FORSCHUNGSVERBUND SONNEN-

ENERGIE 1999]

3.1.2.2 Stationärer Bereich

Die potentiellen Anwendungsgebiete für elektrochemische Energieumwandlungs-

systeme mit Brennstoffzellen im stationären Sektor sind zahlreich. Brennstoffzel-

len können sowohl zur gleichzeitigen Bereitstellung von Wärme und Strom durch

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) (alle Typen), als auch zur reinen Stromerzeugung

(MCFC, SOFC) genutzt werden. Das Angebot reicht von Geräten zur Einzelver-

sorgung von Wohnhäusern (1-10 kW), über Blockheizkraftwerke (BHKW) im Leis-

tungsbereich von 100-500 kW, die zur dezentralen Versorgung von Wohngebie-

ten geeignet sind, bis hin zu Kraftwerken, die mehrere MW Leistung erbringen

und die Auskopplung von Prozeßwärme ermöglichen. Technische Voraussetzung

im stationären Bereich sind sowohl eine geringe Alterung des Brennstoffzel-

lenstacks als auch eine lange Lebensdauer von mindestens 40.000 h, welche be-

reits von 200 kW

Anlagen der Firma ONSI nachgewiesen wurde [GUMMERT et

al. 1998]. Die Kraftstoffversorgung stellt im stationären Bereich ein geringeres

Problem als im mobilen Sektor dar, da alle stationären Systeme mit Erdgas (oder

Flüssiggas) betrieben werden können, für welches bereits eine Versorgungsstruk-

tur besteht. Die umweltfreundliche Bereitstellung von Strom und Wärme ist auch

hier von großem Vorteil.

[STOLTEN 1999], [BIEDERMANN et al. 1999]

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

3.1.2.3 Portabler Bereich

Im Bereich der portablen Geräte sind PEMFC und DMFC am besten geeignet. Sie

sollen als Batterieersatz zur Energieversorgung von Laptops (vgl. Abb. 11), Han-

dys, Notebooks, tragbaren Generatoren usw. dienen, deren benötigte Leistung

zwischen 1 und 500 W liegt. Die Brennstoffzelle muß nicht wie eine Batterie wie-

der aufgeladen oder ausgetauscht werden, sondern lediglich betankt werden.

Abbildung 11: brennstoffzellenbetriebener Laptop

Quelle: FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE 1999

3.1.3 Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen

3.1.3.1 Wirkungsgrad

Ein Vorteil der Brennstoffzelle allgemein gegenüber der herkömmlichen Energie-

gewinnung ist der hohe Wirkungsgrad, der durch die direkte Umwandlung von

chemischer in elektrische Energie realisiert wird (siehe Vergleich der Energieum-

wandlungskette in Einleitung; vgl. Abb. 12).

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

100

150

200

250

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Temperature [K]

eversible work [

kJ/mol]

Electrochemical work

Carnot cycle work

Abbildung 12: Theoretische Wirkungsgrade der Brennstoffzelle und der

Wärmekraftmaschine im Vergleich

Quelle: Eric Chen, persönliche Mitteilung

Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (auch als thermody-

namischer Wirkungsgrad bezeichnet) errechnet sich aus dem Verhältnis der

Gibbs'schen freien Enthalpie zum unteren Heizwert und beträgt bei Wasserstoff

als Brenngas 83 %.

In der Praxis werden allerdings nicht die Maximalwirkungsgrade aus Abb. 12 er-

reicht. Dadurch, dass die Zelle mit Reformat betrieben wird, entstehen Aktivie-

rungsverluste an der Anode (vgl. Abb. 13). Ein noch größeres Überpotential ent-

steht durch die Aktivierung der Kathode. Je nach Leitfähigkeit der Membran und

Elektroden variieren die ohmschen Verluste, und bei hohen Stromdichten treten

durch den Massentransport Verluste auf. Der praktische Zellwirkungsgrad beträgt

,,nur" noch 40 bis 70 % bei Wasserstoffbetrieb und liegt damit immer noch höher

als die praktischen Wirkungsgrade von Wärmekraftmaschinen mit 25-40 %.

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

Abbildung 13: Zellspannungs- bzw. Wirkungsgradverluste in der Brenn-

stoffzelle

Quelle: HOOGERS 1998

Der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensubsystems, sprich die Brennstoffzelle mit

Komponenten, die zum Betrieb des Energieumwandlungssystems notwendig sind

wie z.B. die Gasaufbereitung (Reformer usw.) und die Gasversorgung (Kompres-

sor usw.), wird limitiert durch Faktoren wie der Brenngasausnutzung (zwischen 75

und 90 % (Mitteilung von Grubel (HEW) vom Mai 2000 und [STOLTEN et al.

2000]), Verdichterverlusten und Verlusten, die bei der Gasreformierung und

reinigung auftreten. Bei Wasserstoffbetrieb liegt der Wirkungsgrad des Brenn-

stoffzellensubsystems eines Pkw-Antriebs zwischen 35 und 65 %.

Der Wirkungsgrad eines kompletten Energieumwandlungssystems mit Brenn-

stoffzelle (z.B. Pkw-Antrieb) berücksichtigt weitere Komponenten, die bis zur Net-

tostromversorgung notwendig sind. Dazu zählen unter anderem der Inverter zur

Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, der Elektromotor und die Meß-

und Regeltechnik. Berechnet wird er nach der Formel

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

mit der der ,,Nutzen" (die produzierte Leistung P) ins Verhältnis zum ,,Aufwand"

(die Brennstoffleistung

= &

) betrachtet wird. Der Wirkungsgrad des Ge-

samtsystems (immer noch am Bsp. des PKW) beläuft sich damit bei Wasserstoff

als Kraftstoff auf 20-30 %. Selbst unter Berücksichtigung der vorgelagerten Ener-

gieverluste durch die Bereitstellung des Kraftstoffs können sich Brennstoffzellen-

fahrzeuge gegenüber konventionellen Fahrzeugen behaupten:

Abbildung 14: Vergleich des Energieverbrauchs verschiedener Antriebs-

konzepte für Pkw

Quelle: modifiziert nach DaimlerChrysler [LEDJEFF et al. 1995]

In Abb. 14 wurde ein Fahrzeug mit 730 kg Leergewicht betrachtet, besetzt mit

zwei Insassen, mit 15 kW mechanischer Antriebsleistung, das im EU-Fahrzyklus

gefahren wurde. Im Falle des Benzin- und Ottomotors wurde die Benzinherstel-

lung aus Erdöl berücksichtigt, beim Brennstoffzellenfahrzeug und beim Wasser-

stoffmotor wurde die Wasserstoffherstellung mit Hilfe der Dampfreformierung aus

Erdgas zugrundegelegt und in die Bilanz des Elektrofahrzeuges wird die Stromer-

zeugung mit dem deutschen Kraftwerksmix von 1995 einkalkuliert.

Energieverbrauch

[kWh/100 km]

Ottomotor Diesel-motor

BZ-Fahr-

zeug

Wasser-

stoffmotor

Elektrofahr-

zeug

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

[LOKURLU 1999], [STOLTEN et al. 2000], [BIEDERMANN et al. 1999], Daim-

lerChrysler [LEDJEFF et al. 1995]

3.1.3.2 Teillastverhalten

Brennstoffzellensysteme weisen ein besseres Teillastverhalten auf als Verbren-

nungskraftmaschinen oder Turbinen. Konventionelle Systeme verzeichnen einen

nahezu linearen Wirkungsgradabfall im Teillastbereich bis 25 % (von 100 %

kommend) (Sander [VIK 1999]; vgl. Abb. 15). Brennstoffzellensysteme hingegen

behalten ihren hohen Wirkungsgrad bis zur 50 %-Teillastmarke bei und fallen erst

dann ab. Das Absinken des Wirkungsgrades ist auf den zunehmenden Eigen-

verbrauch der peripheren Geräte im Teillastbetrieb zurückzuführen.

Abbildung 15: Teillastverhalten am Beispiel stationärer Systeme

Quelle: VIK 1999

3.1.3.3 Emissionen

Wie schon beim Energieverbrauch müssen auch bei den Emissionen nicht nur die

lokalen Emissionen, sondern auch die Emissionen, die bei der Kraftstoffbereitstel-

lung entstehen, betrachtet werden. Da die Menge der CO

-Emissionen direkt vom

Wirkungsgrad abhängt, können sich auch hier die Brennstoffzellensysteme (so-

wohl mobile als auch stationäre) gegenüber fast allen herkömmlichen Systemen

behaupten:

ONSI

Gasturbine

Gasmotor

125%

100%

Nenn

75%

50%

25%

25% 50%

75%

100%

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

Abbildung 16: CO

-Emissionen; links für mobile Systeme, rechts für statio-

näre Systeme

Quelle: modifiziert nach DaimlerChrysler [LEDJEFF et al. 1995] und Roes [VIK 1999]

Eindeutig im Vorteil gegenüber herkömmlichen Fahrzeugantrieben und (Heiz-)

Kraftwerken sind Energieumwandlungssysteme mit Brennstoffzellen im Bereich

der limitierten Emissionen, also Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxide

und Schwefeldioxid bzw. Schwefeloxide:

Abbildung 17: Limitierte Emissionen mobiler Systeme

Quelle: modifiziert nach DaimlerChrysler [LEDJEFF et al. 1995]

100

120

140

[g/km]

Ottomotor

Dieselmotor

BZ-Fahrzeug

Wasserstoffmotor

Elektrofahrzeug

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

[g/kWh]

Braunkohle-

Steinkohle-

GuD-HKW

Motor-HKW

BZ-HKW

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Ottomotor Dieselmotor

BZ-Fahr-

zeug

Wasser-

stoffmotor

Elektrofahr-

zeug

CO [mg/km]

HC [mg/km]

NOx [mg/km]

SO2 [mg/km]

Einführung in die Brennstoffzellentechnologie

Abbildung 18: Limitierte Emissionen stationärer Systeme

Quelle: modifiziert nach Roes [VIK 1999]

Weitere Emissionen, die Brennstoffzellen in geringem Maße emittieren sind Lär-

memissionen. Dies ist vor allem für einige Nischenanwendungen (wie z.B. U-

Boote), Fahrzeuge und die dezentrale Energieversorgung von Häusern oder Sied-

lungen von Vorteil.

3.1.3.4 Synergieeffekte

Die Stacks, die in der stationären oder mobilen Anwendung eingesetzt werden,

müssen unterschiedliche Voraussetzungen erfüllen. Das Volumen für Brennstoff-

zellenstapel, die für Fahrzeuge vorgesehen sind, ist begrenzt. Die Leistung hin-

gegen muß ,,nur" ca. 75 kW

betragen. Auch die verwendeten Materialien können

sich leicht voneinander unterscheiden. So wird z.B. für die mobile Anwendung

eine dünnere Membran eingesetzt, um die ohmschen Verluste bei hohen Strom-

dichten zu verringern. Bei Brennstoffzellen für die stationäre Anwendung ist die

Größe des Stapels zweitrangig, wichtig wird jedoch die Höhe des elektrischen

Wirkungsgrades bzw. der erzeugten elektrischen Leistung, weshalb die aktive

Fläche der Stacks vergrößert wird, um einen höheren Strom zu erzielen und pa-

rallel dazu die Anzahl der hintereinander geschalteten Zellen erhöht wird um die

200

400

600

800

1000

1200

Braun-

kohle-KW

Stein-kohle-

GuD-HKW Motor-HKW BZ-HKW

CO [mg(kWh]

HC [mg/kWh]

NOx [mg/kWh]

SOx [mg/kWh]

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 2002
ISBN (eBook): 9783832467012
ISBN (Paperback): 9783838667010
DOI: 10.3239/9783832467012
Dateigröße: 3.3 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Fachhochschule Trier - Hochschule für Wirtschaft, Technik und Gestaltung – Umwelttechnik
Erscheinungsdatum: 2003 (Mai)
Note: 1,0
Schlagworte: brennstoffzelle pafc pemfc lernkurve stromgestehungskosten

Autor

Martina Hinsberger (Autor:in)

Kostenanalyse und Kostensenkungspotentiale für elektrochemische Energieumwandlungssysteme mit Brennstoffzellen

Zusammenfassung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Details

Autor

Martina Hinsberger (Autor:in)