Blockheizkraftwerk der nächsten Generation im Dauertest

Jülicher Forscher haben ein neues Demonstrationssystem für Blockheizkraftwerke mit oxidkeramischen Brennstoffzellen in Betrieb genommen. Solche Anlagen können dezentral Strom und Wärme für Wohnhäuser und Industriegebäude produzieren – mit einem deutlich höheren Gesamtwirkungsgrad als große Kraftwerke. Das neue Jülicher 20-kW-System bietet die Möglichkeit, neben Erdgas auch regenerativ erzeugten Wasserstoff umzusetzen. Es ist ohne Rohrverbindungen im Hochtemperaturbereich aufgebaut und bringt weltweit erstmalig Zellstapel mit einer Einzelleistung von 5 kW zum Einsatz, mit denen sich gut auch größere Anlagenleistungen erzielen lassen.

Die zentrale Stromerzeugung in großen Kraftwerken ist mit deutlichen Verlusten verbunden, weil die Abwärme oft ungenutzt bleibt. In einem Blockheizkraftwerk (BHKW), das den Strom vor Ort produziert, lässt sich die freigesetzte Wärme dagegen zum Heizen verwenden. So kann die eingesetzte Energie fast vollständig genutzt werden. Konventionelle Anlagen dieser Art erzeugen den Strom mit Hilfe von Gasmotoren. Noch effizienter ist es aber, den Strom auf elektrochemischem Weg zu gewinnen – mit Brennstoffzellen, wie sie am Forschungszentrum Jülich entwickelt werden. Die Technologie bietet außerdem eine interessante Option für die Energieversorgung der Zukunft. Mit ihr lässt sich nicht nur Erdgas, sondern auch Wasserstoff verstromen, der großtechnisch aus überschüssigem regenerativem Strom erzeugt und anschließend gespeichert wurde.

„Das neue Demonstrationssystem ist ein wichtiger Schritt hin zum Einsatz von oxidkeramischen Brennstoffzellen in der dezentralen Energieversorgung“, erklärt Arbeitsgruppenleiter Ludger Blum vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. „Beim ersten Test hatten wir gleich einen elektrischen Nettowirkungsgrad von 43 Prozent, rund 10 Prozentpunkte besser als ein Gasmotor-Blockheizkraftwerk vergleichbarer Leistung. Und durch relativ einfache Maßnahmen lässt sich dieser Wert noch auf über 50 Prozent steigern.“

Langfristig ist ein Wirkungsgrad von rund 60 Prozent angepeilt. Die Anlage soll sich zunächst bei konstanter Leistung in mehreren Tausend Stunden Dauerbetrieb bewähren. Danach folgen dynamische Tests mit Lastwechseln, für die das System wiederholt abgekühlt und wieder aufgeheizt wird. Als weitere Schritte sind Verbesserungen der Robustheit und Langzeitstabilität geplant.

Die Brennstoffzellen-Module folgen dem in Jülich entwickelten, integrierten Konzept, alle Teile im Hochtemperaturbereich kompakt zu verbinden. Sie bestehen aus dem Hochleistungsstahl Crofer 22 APU, der vom Forschungszentrum Jülich eigens für diesen Einsatzzweck entwickelt wurde und inzwischen von ThyssenKrupp VDM hergestellt wird. „Der Aufbau bietet mehrere Vorteile“, erläutert Blum. „Die Module haben eine minimierte Oberfläche und lassen sich gut isolieren. Sie besitzen eine gemeinsame Anschlusstechnik für alle Komponenten, lassen sich von der Größe her gut anpassen und bestehen aus relativ ähnlichen Teilen, was den Aufwand und damit auch die Kosten für die Herstellung verringert.“

Die hohe Betriebstemperatur von oxidkeramischen Brennstoffzellen ermöglicht es, vergleichsweise kostengünstige Elektrodenwerkstoffe einzusetzen und hohe Wirkungsgrade zu erzielen – erfordert aber relativ lange Aufheiz- und Abkühlungsphasen. „Durch den Einsatz neuartiger Hochleistungskathoden arbeitet das Jülicher Demonstrationssystem schon bei einer vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur von etwa 700 Grad Celsius, die es allein durch die Prozesswärme hält“, berichtet Blums Institutskollege Norbert Menzler. Die Module sind mit einem Reformer ausgestattet und für die Verwertung von Erdgas ausgelegt, können aber auch direkt mit Wasserstoff betrieben werden.

FZJ / OD