Kostenanalyse und Kostensenkungspotentiale für elektrochemische Energieumwandlungssysteme mit Brennstoffzellen

Eine einzelne Zelle produziert ca. 0,66 Volt bei 0,1 A/cm². Der Zellstapel produziert bei Vollast einen Gleichstrom mit etwa 1000 A und 200 V. Dieser Strom wird vor der Netzeinspeisung mit Hilfe eines Wechselrichters in 50 Hz-Drehstrom mit 380 V Spannung umgewandelt. (Heiming/Wismann [VIK 1999]) Der elektrische Wirkungsgrad beträgt (gemessen am unteren Heizwert und bei einer Leistung von 100 kWel) zu Beginn der Inbetriebnahme bis zu 42 %, der thermische ungefähr 43 %. Mit zunehmender Alterung der Zelle, sinkt der elektrische Wirkungsgrad bis auf ca. 33 % ab, der thermische steigt dementsprechend an auf etwa 52 %. Durch den Spannungsabfall in den Zellen kann nach 30.000 Stunden Laufzeit nur noch 150 kWel produziert werden. (Heiming/Wismann [VIK 1999]) Im Teillastbereich von 100 bis 50 % bleibt der Wirkungsgrad konstant bzw. steigt noch leicht an. Laut Grubel (HEW) betrug der Wirkungsgrad des ONSI-BHKWs nach 25.000 Betriebsstunden bei 100 kWel 37,5 % und bei 200 kWel 36,5 %. Erst unter 100 kW nimmt der Nettowirkungsgrad durch die Zunahme der elektrischen Eigenverbräuche deutlich ab (Heiming/Wismann [VIK 1999]). Die Zunahme des Eigenverbrauchs ist darauf zurückzuführen, dass bei niedriger Leistung die entstehende Wärme nicht mehr ausreicht den Stapel auf Betriebstemperatur (200 °C) zu halten und die Dampfproduktion zu ermöglichen. Daher wird bei niedriger Leistung automatisch der elektrische Heizer (s.o.) zugeschaltet, der einen Teil des erzeugten Stroms verbraucht, welcher dann nicht mehr für die Einspeisung zur Verfügung steht. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Elektrische Leistung [kW] Wirkungsgrad Brennstoffnutzung [...]

Es gibt drei Ausführungen der PC25: Die erste PC25A wurde im Dezember 1991 geliefert (persönliche Mitteilung von IFC vom 31.05.2000). Im August 1994 folgte die erste PC25B, die nach den Erfahrungen aus dem Betrieb der PC25A-BHKWs verbessert wurde. Im Dezember 1995 folgte dann die vollkommen überarbeitete Version (PC25C), die sich hauptsächlich hinsichtlich des Volumens von den ersten Typen unterschied. Durch eine kompaktere Bauweise (auch des Stapels) war es gelungen das Volumen um etwa ein Drittel zu reduzieren Die betrachtete PC25-Einheit der Firma ONSI hat eine Leistung von maximal 200 kWel. Prinzipiell ist es möglich die elektrische Leistung von 0 auf 200 kWel stufenlos einzustellen. Die thermische Leistung beträgt maximal 220 kWth und kann ausgekoppelt werden (s.u., Heiming/Wismann [VIK 1999]). Das Brennstoffzellen-BHKW wird mit reformiertem Erdgas betrieben. Da die PAFC empfindlich auf Schwefelverbindungen reagiert, werden diese zuvor aus dem Brenngas entfernt. Das entschwefelte Gas wird mit Wasserdampf vermischt und in den Reformer geleitet, wo es mit Hilfe von Nickelkatalysatoren [LESIEUR 1999] bei Temperaturen von 800 °C in Kohlenmonoxid und Wasserdampf umgewandelt wird. Anschließend gelangt das Reformat in den Shift-Konverter, in dem ein Großteil des als Katalysatorgift wirkenden COs bei 300 °C mit Wasserdampf zu CO2 und weiterem Wasserstoff umgewandelt wird. [BIEDERMANN et al. 1999] Das Brenngas mit 1-2 % CO wird der Anodenkammer der Brennstoffzelle zugeführt, das Oxidationsmittel (Umgebungsluft) der Kathode. Die elektrochemischen [...]

Einige der anfallenden Kosten sind fix, das heißt sie fallen jedes Jahr zu gleichen Beträgen an (z.B. Versicherung), andere Kosten wiederum sind variabel und schwanken z.B. mit sich änderndem Teillastverhalten (z.B. Brennstoffkosten). Schließlich gibt es noch Kosten, die nur einmalig anfallen (z.B. Investitionskosten). Um alle diese Kosten in Stromgestehungskosten pro kWh umrechnen zu können, werden alle Zahlungen auf eine Periode bezogen, d.h. in DM pro Jahr umgerechnet. Da in einem Blockheizkraftwerk bei der Stromproduktion automatisch auch Wärme hergestellt wird und somit Wärmekosten vermieden werden, wird die erzeugte Wärmemenge gutgeschrieben. Je nachdem mit welcher Technik das konkurrierende System arbeitet und abhängig von der Versorgungssituation, könnten weitere vermiedene Kosten als Erlös verbucht werden (z.B. Heizkessel, vermiedene Strombezugskosten, vermiedene externe Kosten durch höhere Emissionen). Es ist jedoch schwierig ohne ein konkretes Berechnungsbeispiel die Höhe dieser vermiedenen Zahlungen festzustellen. Daher werden in dieser Berechnung keine weiteren Gutschriften berücksichtigt und die vollständige Eigennutzung des erzeugten Stroms unterstellt. Kalkuliert werden somit die verbleibenden Stromgestehungskosten. Jablonski [VIK 1999] [...]