Die Energieeffizienten

Hybridkraftwerk mit Brennstoffzelle erweitert Möglichkeiten der Kraft-Wärme-Kopplung

Industrielle Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit kleiner und mittlerer Leistung werden heute typischerweise mit Motoren realisiert. Sie erlauben durch das zeitgleiche Bereitstellen von elektrischer und thermischer Energie, den Brennstoff (z.B. Erdgas) effektiv zu nutzen. Jedoch ist die unkomplizierte Wärmenutzung solcher Blockheizkraftwerke (BHKWs) auf ein Temperaturniveau von bis zu etwa 90°C begrenzt. Das reicht für industrielle Erfordernisse vielfach nicht aus. Bis zu 400°C lassen sich hingegen aus Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie dem HotModule der MTU Onsite Energy auskoppeln, so dass Prozesswärme für die Dampferzeugung, Trocknung oder für das noch effektivere Kühlen mit Absorptionskältemaschinen bereitsteht. Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind allerdings „Dauerläufer“. Daher bietet sich an, sie mit Motoren zu einem Hybrid-BHKW zu kombinieren: Die Brennstoffzelle sorgt dann für eine hohe Stromausbeute und Effizienz der thermischen Prozesse; der Motor verleiht dem System die gewünschte Flexibilität.

Die in den letzten Jahren weiterentwickelten KWK-Techniken mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen wurden häufig als Konkurrenz zu motorischen BHKWs angesehen. Die genauere Betrachtung zeigt aber, dass die beiden Systeme oft nicht gegeneinander auszutauschen sind, da sie unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Typische Merkmale des motorischen BHKWs sind:

• gutes Preis/Leistungsverhältnis
• bewährte, ständig weiterentwickelte Technik
• hohe Leistungsdichte
• guter Brennstoffnutzungsgrad (bis über 90 Prozent)
• etwa 39 Prozent bis 41 Prozent elektrischer Wirkungsgrad
• Einsatzbereich von 50 bis 100 Prozent Last bei gutem Wirkungsgrad
• weiter Regelbereich
• unempfindlich gegen häufige Start-/Stoppvorgänge
• Wärme auf einem Temperaturniveau bis etwa 90°C wirtschaftlich bereitzustellen

Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle HotModule zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

• hoher elektrischer Wirkungsgrad bis etwa 50 Prozent, auch bei Teillast und schwankendem Brennwert des Brenngases
• Wärmebereitstellung bei etwa 400 °C
• Hoher Brennstoffnutzungsgrad (über 90 Prozent)
• verschwindend geringe SO₂- und NO_x-Emissionen unterhalb der Nachweisgrenze
• niedriger Wartungsaufwand, Austausch des Stapels nach etwa 30.000 Betriebsstunden erforderlich

Während die Brennstoffzelle eine geeignete Technik zur Kraft-Wärme-Kopplung darstellt, wenn ein konstanter Energiebedarf vorliegt, spielt der Motor seine Stärken aus, sobald eine stark schwankende Last zu bedienen ist. In vielen Industriezweigen ist jedoch weder das eine noch das andere Extrem anzutreffen, sondern ein Mix: ein ganzjähriger Grundbedarf an Wärme und/oder Kälte kombiniert mit produktions- oder saisonabhängigen Spitzenlasten. In dem Fall ergänzen sich Brennstoffzelle und Motor hervorragend zu einem Hybridkraftwerk.

Funktionsprinzip Karbonat-Brennstoffzelle HotModule

Vorteile alter und neuer Techniken vereinen

Die MTU Onsite Energy bietet beide Basistechnologien für das Hybridkraftwerk aus einem Haus: In Augsburg entwickelt und fertigt das Unternehmen BHKWs auf Basis von Gasmotoren. Sie laufen beispielsweise mit Erd- oder Biogas, mit Klär- oder mit Deponiegas. Am Standort Ottobrunn entwickeln, produzieren und vertreiben rund 100 Mitarbeiter die Brennstoffzellenanlage HotModule. Auch sie erlaubt den Betrieb mit Erdgas und Biogas oder Faul- und Synthesegasen. Der Leistungsbereich der Brennstoffzellen erstreckt sich derzeit von etwa 250 bis 360 kWel. Künftig sollen auch Anlagen der Megawattklasse gefertigt werden. Die motorischen BHKWs der MTU Onsite Energy sind als Erdgasvarianten mit etwa 100 bis 2.150 kWel verfügbar.

Aufgabenteilung: Dauerläufer und Sprinter

Durch die Kombination von Brennstoffzelle(n) und Motor(en) mit einem gemeinsamen Wärmespeicher und integrierter Regelung lässt sich das HybridBHKW aufbauen. Es liefert mit dem Brennstoffzellensystem in der Grundlast Strom bei einem hohen Wirkungsgrad. Somit ergeben sich relativ hohe Erlöse, wenn der Strom in das Netz eingespeist und nach KWK-Gesetz oder möglicherweise nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz vergütet wird. Gleichzeitig liefert die Brennstoffzellenanlage Wärme bei 400°C, die sich vielseitig nutzen lässt. Sie eignet sich aufgrund ihrer hohen Temperatur zum Beispiel hervorragend zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine ‒ deren Wirkungsgrad profitiert von großen Temperaturgefällen. Durch die effektive KraftWärme-Kälte-Kopplung steigt die Chance auf eine wirtschaftliche ganzjährige Nutzung der thermischen Energie.

Der Motor bedient Lastspitzen und wird je nach Anforderung strom- oder wärmegeführt geregelt. Erfolgt die Produktion von Gas vor Ort ‒ beispielsweise Biogas ‒ dient der Motor auch dazu, abhängig vom Füllstand des Gasspeichers vorhandene Überkapazitäten energetisch umzusetzen. Denkbar ist auch, Hybridkraftwerke im Inselbetrieb zu nutzen, um Unabhängigkeit vom Stromnetz zu schaffen. Da der Motor einem Lastwechsel schneller folgen oder binnen Minuten aus der kalten Reserve in den Volllastzustand wechseln kann, ist er prädestiniert, spontan auftretende Bedarfsschwankungen auszugleichen und das Brennstoffzellensystem vor schnellen Lastwechseln zu schützen, denn die Brennstoffzelle sollte in möglichst kleinen Schritten und einem engeren Regelbereich gefahren werden, um thermischen Stress zu vermeiden. Dies verlängert die Lebensdauer des elektrochemischen Energiewandlers.

Eignung auch für niederkalorische Gase

Sondergase, beispielsweise Biogas, verarbeitet das Hybrid-BHKW bei entsprechender Abstimmung und Filtertechnik ebenso gut wie normales Erdgas: Magermotoren laufen mit Brennstoffen mit einem Methangehalt von etwa 50 Prozent und mehr. Das Brennstoffzellensystem lässt sich durch eine Variation des Gasdurchsatzes leicht der Gasqualität anpassen. Es benötigt lediglich einen Mindestbrennwert von etwa 3 kWh/m³. Das ist sogar nur ein Drittel des Energiegehalts, den Erdgas besitzt.

Erstes MTU-Hybridkraftwerk wird bald installiert

Der Ansatz, bereits separat erprobte Techniken zu einer neuen Lösung zu kombinieren, ist vielversprechend: Selbst die jüngste Kernkomponente, die Brennstoffzelle, hat in diversen Projekten technische Reife und Ausdauer gezeigt, so dass auf langjährige Erfahrungswerte zurückgegriffen werden kann. Noch führen die kleinen Stückzahlen zwar dazu, dass die Brennstoffzellen ein Mehrfaches pro installiertem Kilowatt kosten als Motoren. Aber in naher Zukunft ist mit einer spürbaren Preisdegression zu rechnen. Die Integration traditioneller und moderner Technik könnte der industriellen Energieversorgung daher neue Impulse verleihen und ein Plus an Wirtschaftlichkeit bescheren. Gleichzeitig genügt das Hybridkraftwerk hohen Ansprüchen an den Umweltschutz, denn die Brennstoffzelle emittiert quasi keine Schadstoffe und arbeitet dank des weitgehenden Verzichts auf bewegliche Teile geräuscharm. Ihr erstes Hybridkraftwerk wird MTU Onsite Energy voraussichtlich noch im Laufe dieses Jahres in Betrieb nehmen.