Demonstration der weltweit ersten Festoxid-Brennstoffzelle für Biogas im industriellen Maßstab
Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Generator, der sich die chemische Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel (meist Sauerstoff) zunutze macht. Das Prinzip der Stromerzeugung beruht nicht auf Verbrennung, und es fallen weder Wärme noch Emissionen an. Die Bezeichnung der verschiedenen Brennstoffzellen richtet sich nach Art des jeweils verwendeten Elektrolytmaterials. Bei der bekannten Wasserstoffbrennstoffzelle ist dieser Elektrolyt das Polymer Polytetrafluorethylen (Teflon). Der Elektrolyt einer Festoxid-Brennstoffzelle (solid oxide fuel cell, SOFC) ist ein Festoxid bzw. keramischer Werkstoff. SOFCOM, ein vorheriges EU-finanziertes Projekt, entwickelte einen Generator, dessen Festoxid-Brennstoffzellen mit verschiedenen Arten biogener Primärbrennstoffe arbeiten, in diesem Fall mit Biogas aus Kläranlagen. Da das Prinzip auf Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) beruht, wird ein Großteil der Abwärme genutzt und CO2 aus der Anlage (durch Speicherung in Mikroalgen) vollständig rückgewonnen. Wie alle Festoxid-Brennstoffzellen arbeitet das SOFCOM-System mit sehr hohen Temperaturen, was eine effiziente Umwandlung in elektrische Energie ermöglicht. Der SOFCOM-Generator für die Machbarkeitsanalyse war ein Prototyp in nicht-industriellem Maßstab und rangierte hinsichtlich Emissionsbelastung und Effizienz weltweit an erster Stelle in der Sub-Megawatt-Klasse.
Erste großindustrielle Demonstration
Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts DEMOSOFC war die Umsetzung, Analyse und Optimierung der SOFCOM-Technologie sowie die vollständige Demonstration in einer Kläranlage nahe Turin (Italien). Wie die Originalversion wurde auch die Demonstration mit einem klimaneutralen Biogas gespeist, das durch Abbau organischer Substanzen bei der Aufbereitung kommunaler Abwässer gewonnen wurde. DEMOSOFC war die weltweit erste, aus Biogas gespeiste Demonstration eines großen SOFC-Systems (mehr als 100 kW). „Unsere Aufgabe waren die Entwicklung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung einer kompletten KWKK-Anlage mit Festoxid-Brennstoffzellen für Biogas“, erklärt Projektkoordinator Professor Massimo Santarelli. „Sie produziert 110 Kilowatt Strom und 45 Kilowatt Wärmekraft“, was für mehrere Haushalte oder Büros ausreicht. Die Leistung war nur deshalb geringfügig niedriger als die kalkulierten 174 kW, weil der Lieferant nur zwei der drei geplanten SOFC-Module lieferte.
Effizienter, sauberer Betrieb
Fast drei Jahre realer Betrieb und Tests zeigten, dass die Anlage in 80 % der Betriebszeit einen Wirkungsgrad von mehr als 50 % für die elektrische Umwandlung von Biogas in Wechselstrom und einen Spitzenwert von 58 % erreichte. Für etwa die Hälfte der Betriebszeit betrug der Gesamtwirkungsgrad 80-90 %, wobei die atmosphärischen Emissionen unter der Nachweisgrenze der Instrumente lagen. Die Ergebnisse bestätigten die Kosteneffizienz und Durchführbarkeit der Demo-Anlage. „Wir haben das gesamte technische Know-How für die Konzeption und Installation einer SOFC-Anlage für industrielle Anwendungen zu minimalen Kosten entwickelt“, ergänzt Santarelli, „und alle technischen Daten zum Regelbetrieb wie auch zu Kontrolllogistik und Sicherheitsvorgaben erhoben.“ Diese Ergebnisse werden in den künftigen Betrieb ähnlicher Anlagen einfließen. Ein zweites Ergebnis des Projekts war die erfolgreiche Demonstration der Biogasreinigungsanlage, die verhindert, dass schädliche Verunreinigungen in die Brennstoffzelle gelangen. Im Anschluss daran verhandelte die Arbeitsgruppe mit mehreren wichtigen Endnutzenden über eine Hochskalierung der DEMOSOFC-Anlage. Allein die Nutzung von Kläranlagen in der EU eröffnet ein enormes Potenzial (etwa 2-5 GW) für die Übertragbarkeit. Insgesamt ergeben sich daraus interessante Möglichkeiten einer baldigen Markteinführung für eine neue Ära wirklich umweltfreundlicher grüner Energie.
Schlüsselbegriffe
DEMOSOFC, SOFC, Biogas, SOFCOM, Elektrizität, Abwasser, Festoxid-Brennstoffzelle, grüne Energie
