Technische und ökonomische Analyse der Brennstoffzellennutzung in der Biogastechnik

Diplomarbeit von Lars Pingel

Problemstellung:

Derzeit befinden wir uns im grundlegenden Wandel unserer Energieversorgung. Da der Bedarf stetig steigt, die fossilen Ressourcen schwinden und der globale Klimaschutz eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erfordert, steht die deutsche Stromwirtschaft vor einer Umstrukturierung der Energieversorgung. Um Versorgungssicherheit, günstige Preise und Klimaschutz auf einen Nenner zu bringen, muss daher der Energiemix der Zukunft mit effizienten Technologien und einem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien sichergestellt werden.

Einen steigenden Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leistet hierbei unter Anderem die Biogastechnologie, welche immer mehr an Bedeutung gewinnt und noch ein enormes Potential birgt. Im Jahr 2005 konnten durch die Erzeugung von Biogas 3.200 GWh Strom in Deutschland erzeugt werden. Das entsprach einem Anteil von 0,53 % (5,1 %, bezogen auf erneuerbare Energien) an der gesamten Stromerzeugung bundesweit. Das größte Potential für die Gewinnung von Biogas ist in der Landwirtschaft zu finden. Über 200.000 Anlagen, allein mit Abfällen aus der Landwirtschaft, könnten in Deutschland realisiert werden. Vergleicht man dies mit den derzeit ca. 2.700 Biogasanlagen (elektrische Gesamtleistung von ca. 665 MW), so wird das Potential dieser Technologie ersichtlich.

Biogas wird derzeit überwiegend in Verbrennungsmotoren verwertet, welche einen Generator zur Stromerzeugung antreiben. Neben diesen konventionellen Technologien gibt es noch weitere Nutzungsmöglichkeiten, sowie innovative Methoden der Biogasverwertung, wie z.B. die Implementierung einer Brennstoffzelle. Hierbei macht man sich zu Nutze, dass im Methanmolekül (CH4, zu 50 - 75 Vol.-% im Biogas enthalten) Wasserstoff enthalten ist. Über eine Reformierung wird der Wasserstoff von dem Kohlenstoff abgespalten und der Brennstoffzelle zugeführt, welche diesen als Kraftstoff benötigt. Die Molten-Carbonate-Fuel-Cell (MCFC) ist für die Verwertung von Biogasen aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur und den Reaktanden im Gegensatz zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen besonders gut geeignet. Im Vergleich zu anderen Technologien zeichnet sich diese Alternative insbesondere durch hohe Wirkungsgrade und deutlich niedrigere Emissionen aus.

Problematisch ist allerdings, dass die Brennstoffzelle wesentlich höhere Gasqualitäten fordert als das Biogas liefern kann. Somit ist es unumgänglich, für die Brennstoffzelle schädliche Gaskomponenten mittels vorgeschalteter Einrichtungen herauszufiltern, da bereits geringe Mengen an Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlenmonoxid ,-dioxid sowie Halogen- verbindungen die in der Brennstoffzelle eingesetzten Katalysatoren schädigen als auch Leistung und Betriebsdauer der Brennstoffzelle erheblich reduzieren. Nachteilig ist jedoch, dass die Brennstoffzelle bzw. die Gasaufbereitung dafür noch sehr kostenintensiv ist, sodass ein Weg gefunden werden muss, der sowohl den Anforderungen der Brennstoffzelle an die Gasqualität gerecht wird als auch aus ökonomischer Sicht sinnvoll ist.

Aufgrund der hohen Anforderungen der Brennstoffzelle an die Gasqualität liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit bei der Aufbereitungstechnik des Biogases. In den folgenden Kapiteln sollen daher verschiedene Methoden (biologische/chemische/physikalische) der Biogasaufbereitung unter- sucht und aufgezeigt werden, damit das Gas anschließend in der Brennstoffzelle verwertet werden kann.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird im Allgemeinen die Biogastechnologie fokussiert. Dieses Kapitel wird nur kurz angeschnitten, da diese Technologie größtenteils bekannt bzw. ausgereift ist. Darauf aufbauend werden zwei Brennstoffzellensysteme (insbesondere die MCFC) und deren Funktionsweise vorgestellt und mit konventionellen Technologien hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit in der Biogastechnologie verglichen. Aus den Anforderungen der Brennstoffzelle an die Gasqualität ergibt sich die notwendige Gasaufbereitung um das Gas anschließend in der Brennstoffzelle verwerten zu können. Daher werden im darauf folgenden Abschnitt die verschiedenen Methoden der Gasreinigung detailliert beschrieben und in Hinblick auf ihre Eignung sowie auf ihre wirtschaftliche Umsetzung bewertet. Zum Abschluss werden anhand einer Beispielanlage (Biogasanlage Relliehausen) die gewonnenen Erkenntnisse abgewogen und ein geeignetes Verfahren ausgewählt und beschrieben.

Ziel dieser Arbeit ist es, dem Leser einen fachlich fundierten und detaillierten Überblick über die Einsetzbarkeit von Brennstoffzellen in der Biogastechnologie zu verschaffen, der es erlaubt, die Nutzung der Brennstoffzelle in der Biogastechnologie bzw. die Gasaufbereitungstechnik hinsichtlich technischer als auch ökonomischer Aspekte zu bewerten und mit anderen Technologien zu vergleichen.

Inhaltsverzeichnis:

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 3.2.1, Beschreibung der MCFC:

Brennstoffzellen, bei denen der Elektrolyt aus einer dünnen Flüssigkeitsschicht von Karbonaten besteht, werden in der englischen Fachsprache als Molten Carbonate Fuel Cell bezeichnet und tragen die Abkürzung „MCFC“. Der Elektrolyt setzt sich aus schmelzflüssigen Alkalikarbonaten zusammen, welche in einer keramischen Matrix aus Lithiumaluminat (LiAIO2) fixiert werden. Im Elektrolyten sind in der Regel Lithiumkarbonat (LiCO2) zu 62 % und Kaliumkarbonat (K2CO3) zu 38 % enthalten.

Aufgrund ihrer günstigen Voraussetzungen ist die MCFC besonders für die stationäre Stromerzeugung bzw. gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung geeignet. Betrieben wird dieser Typ von Brennstoffzelle bei einer Temperatur von etwa 650 °C, welche immer noch ausreichend ist die elektrochemischen Umsetzungsprozesse an den Elektroden auch ohne die Anwesenheit von kostspieligen Edelmetallkatalysatoren ablaufen zu lassen. Stattdessen wird hierfür auf Nickel zurückgegriffen um die Brennstoffzellenreaktion in Gang zu bringen. Ein großer Vorteil bei den Hochtemperatur-BZ besteht darin, dass herkömmliche Brenngase, wie z.B. Biogas, mit der Abwärme der Brennstoffzelle reformiert werden können. Das heißt, dass bei dieser Reaktion die enthaltenden Kohlenwasserstoffe des Biogases mittels der hohen Prozesstemperatur und der Anwesenheit eines Katalysators unter Zusatz von Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden. Der Reformiervorgang ist somit endotherm, d.h. es wird von außen Wärmeenergie benötigt. Aufgrund dieser Charakteristika wird durch das interne Reformieren sowohl die Brennstoffzellensystematik stark vereinfacht als auch der Wirkungsgrad signifikant erhöht. Eine solche Karbonat-Brennstoffzelle bezeichnet man als Direkt-Brennstoffzelle (DBZ). Bei Niedertemperatur-BZ läuft der Reformiervorgang in einem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformer ab, der extra mit Brenngas beheizt werden muss.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die entstehende Abwärme, welche noch etwa zwischen 400 °C und 450 °C liegt, in unterschiedlichster Form genutzt werden kann. Beispielsweise lässt sie sich nicht nur in industriellen Verfahren aller Art (z.B. Prozessdampf) nutzbringend verwenden, man kann sie auch in nachgeschalteten Turbinenaggregaten zur weiteren Stromerzeugung einsetzten. Dadurch kann ein elektrischer Wirkungsgrad von mehr als 65 % und ein Gesamtwirkungsgrad (thermisch und elektrisch) von 85 % erreicht werden. Die Möglichkeit der nachgeschalteten Turbinenaggregate kommt insbesondere für größere Anlagen (oberhalb von 10 MW) in Betracht. Darüber hinaus können aber auch noch Wärmeverbraucher mit hohen Temperaturanforderungen von der hohen Nutzwärmetemperatur Gebrauch machen. Geeignete Anwendungen wären z.B. Absorbtionskälteanlagen sowie Anlagen zur Druckheiß-wassererzeugung, Trocknung und Sterilisation. Hinsichtlich der Materialien ist die Arbeitstemperatur der MCFC aber noch niedrig genug, sodass gängige metallische Werkstoffe für die Konstruktion der Brennstoffzelle sowie deren Peripherie verwendet werden können. Dies ist des Weiteren vorteilig zu bewerten, da die Brennstoffzelle aufgrund dessen kostengünstiger gefertigt werden kann.

Kapitel 3.2.2, Aufbau der Direktbrennstoffzelle:

Im Prinzip gleicht der Aufbau eines DBZ-Zellblocks dem anderer Brennstoffzellentypen. Die einzelne Zelle ist wie ein flaches Sandwich aufgebaut. Die beiden Elektroden bestehen aus porösem Nickel und umschließen eine mit dem Karbonat-Elektrolyten gefüllte Trägerfolie (Matrix). Die Gaskanäle werden durch wellblechartig strukturierte Stromsammler gebildet. Mittels einer Bipolarplatte werden die aufeinander folgenden Zellen separiert. Die Fläche der Zellen beträgt in etwa 0,8 m². Etwa 300 Zellen, wobei die einzelne eine elektrische Leistung von ca. 1 kW hat, werden übereinander gestapelt und dadurch elektrisch in Serie geschaltet. Die Zellen werden durch die Endplatten zusammengehalten, wobei diese wiederum mit Zugankern verbunden sind. Durch eine entsprechende Vorspannung bewirken diese einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Einzelzellen. An den vier Seiten des Zellblocks sind die Gashauben (Gasverteiler und -sammler) angebracht. Das Brenngas und die Kathodenluft fließen im Kreuzstrom durch den Zellblock. Die beschriebene und in Abb. 3.4 dargestellte Art der Gaszuführungen und -abführungen wird als „externes Manifolding“ bezeichnet. Schließlich wird an den Endplatten des Zellblocks der Gleichstrom abgenommen, über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und den Verbrauchern zugeleitet. Aus dem Kathodenstrom der MCFC wird die Überschusswärme entnommen und kann aus dem Prozess nach Nutzung zur Brenngasvorwärmung und -befeuchtung mittels eines Wärmetauschers als Nutzwärme auf einem Temperaturniveau von 550 °C bis zu 600°C ausgekoppelt werden.

Kapitel 3.2.3, Funktionsweise der MCFC:

Das Arbeitsprinzip der MCFC beruht wie bei allen anderen Brennstoffzellentypen auch, auf der indirekten Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser durch einen ionenleitenden Elektrolyten. Ferner kommt bei der Karbonat-Brennstoffzelle hinzu, dass neben den oben genannten Reaktanden auch Kohlendioxid an der Reaktion teilnimmt bzw. diese erst ermöglicht.

Bevor überhaupt an der Anode eine Reaktion stattfinden kann, muss zunächst der Wasserstoff, welcher bei der Reaktion als Brennstoff fungiert, aus dem Kohlenwasserstoffmolekül heraus gespalten (reformiert) werden.

Wie bereits oben angeführt kann diese Reformierung unter hohen Temperaturen und unter Anwesenheit eines Katalysators im Inneren der Brennstoffzelle erfolgen. Hierbei reagieren die Kohlenwasserstoffe in einer endothermen Reaktion, welche auch als „Steam Reforming“ bezeichnet wird, mit Wasserdampf und bilden Kohlendioxid und Wasserstoff:

Gleichung 3.2 Reformierreaktion CH4 + 2H2 O + therm.Energie ¾¾®CO2 + 4H2 Auf der Anodenseite, am negativen Pol der MCFC reduziert der Wasserstoff das Karbonat-Ion CO3 zu CO2 unter Bildung von Wasser und setzt dabei zwei Elektronen frei:

Gleichung 3.3 Anodenreaktion:

H2 + CO3- ¾¾®H2 O + CO2 + 2e-.

Das an der Anode entstandene Kohlendioxid wandert daraufhin zur Kathode und reagiert dort mit dem Luftsauerstoff. Dadurch werden auf der Kathodenseite unter Bildung von zwei Elektronen kontinuierlich neue CO3-Ionen produziert:

Gleichung 3.4 Kathodenreaktion:

0,5 O2 + CO2 + 2e- ¾¾®CO3-.

Die negativ geladenen Karbonat-Ionen wandern anschließend durch den Elektrolyten zur Anode, also genau umgekehrt wie bei anderen Brennstoffzellen. Bei der Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) streben die Ionen beispielsweise von der Anode zur Kathode. Anschließend reagieren an der Anode der MCFC die Karbonat-Ionen mit jeweils zwei Wasserstoff-Ionen zu Kohlensäure (H2CO3), wobei diese wieder in Wasser und Kohlendioxid zerfällt. Damit der Karbonat-Kreislauf erhalten bleibt, muss das entstandene Kohlendioxid dem Luftstrom zur Kathode beigemischt werden. Wegen des Verbrauchs von freien Elektronen besteht an der Kathode Elektronenmangel, sodass die Elektronen von der Anode zur Kathode fließen und den Kreislauf schließen.