Einführung

Seit Juni 2000 testet die Bewag AG & Co. KG in Berlin in ihrem Heizwerk Treptow Brennstoffzellensysteme. Bei dem ersten Demonstrationsprojekt kam die erste europäische 250-kW-PEM Brennstoffzelle zum Einsatz, die von dem kanadischen Unternehmen Ballard entwickelt  und von der ALSTOM Energietechnik geliefert wurde. Das Projekt wurde am 29. Mai 2003 nach 36 Monaten Betrieb beendet und kann trotz diverser Probleme angesichts des frühen Entwicklungsstandes der genutzten Technologie als Erfolg gewertet werden.

Am 30. September 2004 hat der Berliner Versorger zusammen mit seinen Partnern Vattenfall Europe, E.ON Energie und dem Hersteller MTU CFC Solutions in Ottobrunn eine neue Brennstoffzellenanlage in Betrieb genommen: die weltweit erste mit Methanol betriebene Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Methanol lässt sich aus diversen Biomasseprodukten und Reststoffen gewinnen und gilt als Zukunftsoption für den Energiemarkt. Voraussetzung für die energetische Verwertung ist jedoch der Einsatz in hocheffizienten Erzeugungsanlagen, z.B. Brennstoffzellen. Als aussichtsreiche Zukunftstechnologie wird die MCFC Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell) betrachtet. Das Vorhaben wird deshalb von dem Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit finanziell gefördert.
Das Projekt hat zum Ziel, die neue Technologie unter praktischen Bedingungen zu erproben. Zu diesem Zweck wird das System im Verbund mit den bestehenden Strom- und Wärmeversorgungsanlagen mehrjährig betrieben. Das für den Betrieb benötigte Methanol stammt aus dem Sekundärrohstoff Verwertungszentrum Schwarze Pumpe. Es wird dort aus Abfällen und Biomasse gewonnen.

Anlagenbeschreibung

Die MCFC gehört mit einer Betriebstemperatur von rd. 650 °C zu den Hochtemperaturbrennstoffzellen. Der Elektrolyt besteht aus Karbonatsalzen, die ab einer Temperatur von etwa 450 °C in flüssiger Form vorliegen.

Bild 1: MCFC Brennstoffzellenanlage

Die von MTU CFC entwickelte Hochtemperaturbrennstoffzelle wurde für den Einsatz von Erdgas konzipiert. Sie besteht aus den Einheiten Media Supply, HotModule, Inverter und der zugehörigen Steuereinheit. Das Media Supply enthält die Komponenten Wasseraufbereitung, Aktivkohlefilter, HUMIHEX sowie den Prereformer und dient für die Zuführung des Brennstoffes  (Erdgas) und der Betriebstoffe sowie für die Aufbereitung der Betriebstoffe für den Einsatz im HotModule. Das HotModule mit der innenliegenden Brennstoffzelle ist als Herz der Anlage zu betrachten. Es erzeugt aus den Brennstoffen Strom und Wärme. Der Inverter wandelt die im HotModule erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung um. Die Steuereinheit dient zur Steuerung und Regelung des Gesamtsystems (Bild 1). Ein ergänzend installierter Wärmetauscher ermöglicht die Nutzung der Abwärme für Heizzwecke.

Kennzeichnend für das MCFC-Brennstoffzellensystem ist die Reformierung von methanhaltigen (CH4) Brennstoffen innerhalb der Brennstoffzelle. Erdgas oder andere Biogase können nach der Entfernung des Schwefels mittels des Aktivkohlefilters, der Anreicherung mit Wasserdampf sowie der Vorreformierung (Aufspalten längerer Kohlenwasserstoffketten) direkt in der Brennstoffzelle zu einem wasserstoffreichen Brenngas reformiert und im zweiten Schritt in Strom und Wärme umgewandelt werden. Das Prozessgas wird zu diesem Zweck über ein U-förmiges Rohrbündel durch die Brennstoffzelle geleitet und mit Unterstützung eines Katalysators in ein wasserstoffreiches Gas überführt. Da die Reformierung des Brennstoffes direkt in der Brennstoffzelle erfolgt, spricht man von einer internen Reformierung. Eine vorgelagerte Gasaufbereitung, wie bei Niedertemperaturtechnologien üblich, entfällt (Bild 2).

Bild 2: Hot Module (Interne Reformierung)

Die Berliner Anlage bietet neben der Verwertung von Erdgas die Möglichkeit zum Einsatz von Methanol. Im bivalenten Betrieb lässt sich das Erdgas/Methanol-Mischungsverhältnis kontinuierlich zwischen 0 und 100 % variieren. Die Betriebsweise kann damit jederzeit unter kosten- und prozesstechnischen Gesichtpunkten optimiert werden.

Mit dem Einsatz von Methanol (CH3OH) kommt es zu einer Veränderung des Reformierungsprozesses in der Brennstoffzelle. Anders als Methan, das bei der Reformierung in der Brennstoffzelle endotherm reagiert, d.h. Wärme aufnimmt, verläuft die Reaktion bei Methanol exotherm. Es ist damit von einer Temperaturerhöhung in der Brennstoffzelle auszugehen, die eine Vorkühlung sowie eine Umwandlung des Methanols in Methan und Wasserstoff in der Vorreformierung erforderlich macht.

Zur Lösung dieser technischen Besonderheit wurde für die Berliner Brennstoffzellenanlage ein neuer luftgekühlter Prereformer entwickelt. Ausgeführt als Röhrenwärmetauscher  bietet er die Voraussetzung, dass jederzeit eine ausreichende Kühlung des Brenngases gewährleistet ist und eine weitgehende Überführung des Methanols in Methan und Wasserstoff erfolgen kann.
Gegenüber dem bestehenden Prereformer weist das neue Aggregat deutlich größere Abmessungen auf. Eine Integration in das bestehende Media Supply wäre damit ohne Veränderung der Gesamtkonzeption nicht möglich. Die Projektpartner MTU CFC und Bewag haben deshalb beschlossen, für die Berliner Anlage ergänzend zu dem Media Supply ein Methanolrack vorzusehen, dass alle zusätzlich benötigten Komponenten - neuer Prereformer, Frischlüfter und Abluftführung - enthält.  Die Zuführung des Methanols selbst erfolgt über den HUMIHEX, so dass alle anderen Komponenten unverändert beibehalten werden können (Bild 3).

Bild 3: Komponenten der Methanol Brennstoffzelle

Die Berliner Anlage verfügt über eine elektrische Netzleistung von 220 kW und eine thermische von ca. 170 kW. Der elektrische Netto-Wirkungsgrad liegt bei Volllast bei 45 %, der Gesamtnutzungsgrad einschließlich der Wärmenutzung bei rd. 80 %.
Wie das erste Brennstoffzellensystem kommt auch die neue Anlage im Bewag-Heizwerk Treptow, nähe des Zentrums Berlins, zum Einsatz. Errichtet in einem gläsernen Pavillon, wird sie in einem mehrjährigen Betrieb getestet (Bild 4). Die Integration in das vor Ort bestehende Fernwärmeverbundsystem erlaubt hierbei eine ganzjährige Verwertung der Prozesswärme. Die elektrische Energie dient der öffentlichen Stromversorgung.

Der Betrieb der neuen Brennstoffzellenanlage läuft seit der offiziellen Inbetriebnahme ohne Störungen. Die an die Anlage gestellten Erwartungen in Bezug auf das Betriebsverhalten mit und ohne Methanol haben sich damit bisher erfüllt. Eine endgültige Aussage wird aber erst der ab November 2004 geplante Dauertestbetrieb erlauben. Erst dann wird eine endgültige Aussage möglich sein, ob das System als ein erster Schritt in eine neue Technologie zu betrachten ist, die eine flexible und hocheffiziente Nutzung von Methanol in Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen erlaubt.
Die Kosten des auf drei Jahre veranschlagten Projektes belaufen sich auf rd. 4,5 Mio. ?.  Hiervon trägt das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit rd. 2 Mio. ?. Die übrigen Kosten teilen sich die Projektpartner Vattenfall Europe und E.ON.

Die Errichtung der Brennstoffzelle im Heizwerk Treptow bietet die Möglichkeit, die dort existierenden Infrastruktureinrichtungen und das Informationsangebot des "Innovationspark Brennstoffzelle" der Öffentlichkeit weiterhin zugänglich zu machen (www.innovation-brennstoffzelle.com). Mit dem nun verglasten 250-kW-PEM Brennstoffzellenprojekt verfügt die Ausstellung seit September 2004 darüber hinaus über ein neues Highlight. Die Anlage bietet weltweit erstmals die Möglichkeit eines unbeschränkten Einblicks in die Technologie von morgen.

Bild 4: Methanol Brennstoffzelle mit Glaspavillon