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  • PAFC
    Phosphorsäure wird nicht wie in der AFC als Flüssigkeit durch die Brennstoffzelle gepumpt sondern sie wird in einem porösen Kunststoffvlies aufgesaugt und so zwischen die Elektroden positioniert Die übrigen Bauelemente bestehen entweder aus Graphit oder aus Kunststoffmaterialien Die Verwendung einer Säure als Elektrolyt erlaubt auf der Brennstoffseite den Einsatz von CO 2 haltigen Gasen da CO 2 nicht mit der Säure reagiert Dadurch eignet sich die PAFC auch zur Stromerzeugung aus Kohlenwasserstoffen da das bei der Reformierung anfallende CO 2 nicht vom Brenngas abgetrennt werden muss Ausserdem ist aufgrund der Betriebstemperatur von ca 200 C die Toleranz der PAFC gegenüber CO höher Die PAFC wird zumeist mit dem Brenngas Wasserstoff aus reformiertem Erdgas Klärgas und dem Oxidationsmittel Luftsauerstoff betrieben Auch der Einsatz von flüssigem Kohlenwasserstoffen wie etwa Naphtha ist möglich Der Entwicklungsstand ist im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen weit fortgeschritten Verbesserungsbedarf besteht zum Beispiel hinsichtlich der Alterung der Zellen durch Abnahme der elektrischen Spannung ca 20 vom Nennwert über einen längeren Zeitraum und wie bei allen Brennstoffzellen der Kostenreduktion durch Serienherstellung Einsatzbereiche Mit Betriebstemperaturen von 160 220 C empfiehlt sich die phosphorsaure Brennstoffzelle u a auch für den Einsatz bei der Kraft Wärme Kopplung alternativ für das herkömmliche Motor BHKW

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  • MCFC
    auf Die MCFC ist aus relativ preiswerten Materialien wie Nickel Nickeloxid Keramik und Stahl aufgebaut Aufgrund der hohen Betriebstemperatur ist kein Platinkatalysator notwendig Nickel und Nickeloxid sind ausreichend elektrochemisch aktive Elektrodenmaterialien Aufgrund der hochkorrosiven Karbonatschmelzen die viele Materialien angreifen liegt ein Hauptproblem in der Auswahl geeigneter Werkstoffe Hierdurch wird die Lebensdauer der MCFC entscheidend beeinflusst Die MCFC ist unempfindlich gegen Kohlenmonoxid nur Schwefel Verbindungen und Halogene sind aus den Reaktionsgasen zu entfernen Da Kohlendioxid CO 2 in die Zellreaktionen der MCFC einbezogen wird ist dieser Brennstoffzellentyp sehr gut zur Verstromung kohlenstoffhaltiger Brenngase geeignet welche unter Ausnutzung der Abwärme des Brennstoffzellenstacks zu Wasserstoff und CO 2 reformiert werden Die Brenngasreformierung wird durch einen Reformierkatalysator direkt in der Anodenkammer untergebracht sog interne Reformierung In der Schmelzkarbonat Brennstoffzelle werden der Kathode Luft und Kohlendioxid CO 2 der Anode Wasserstoff zugeführt Charakteristisch an der MCFC ist dass der Luftsauerstoff durch die doppelt negativ geladenen Karbonationen die sich durch Lösung von Luftsauerstoff und CO 2 im Elektrolyten bilden von der Kathode zur Anode transportiert werden An der Anode reagieren die Karbonationen mit dem Wasserstoff zu Wasser und CO 2 welches als Anodenabgas wieder der Kathode zugeführt werden muss und so den CO 2 Kreislauf schließt Dieses sogenannte Heiß oder Anoden ab gas ist die eigentliche Besonderheit des MCFC Konzepts Die MCFC ist dadurch prinzipiell in der Lage unterschiedliche Brenngase direkt zu verarbeiten Erdgas kann unmittelbar als Brenngas eingesetzt werden denkbar sind auch andere Kohlenwasserstoffe wie Bio und Klärgas Jedoch ist aufgrund des oben genannten CO 2 Kreislaufes die gesamte verfahrenstechnische Auslegung von MCFC Anlagen etwas aufwändiger als bei den übrigen Brennstoffzellentypen ein zusätzliches Elektrolyt und CO 2 Management ist notwendig Dem Einsatz der MCFC stehen noch einige Probleme gegenüber Die Lebensdauer der Brennstoffzellenstacks wird durch die Instabilität der Kathode Auflösung die Korrosion des Separators zwischen

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  • SOFC
    eine ausreichend hohe Leitfähigkeit des Elektrolyten notwendig Doppelt negativ geladene Sauerstoff Ionen O² werden durch den Elektrolyten zur Anode transportiert Dort verbinden sie sich mit an der Anode aus dem Brenngas gewonnenem Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Kohlendioxid und Wasserdampf Es gibt verschiedene Zellkonzepte wobei insbesondere zwischen dem Röhrenkonzept Prinzip Siemens Westinghouse planaren Anordnungen Prinzip Hexis und dem Substrat Konzept Forschungszentrum Jülich unterschieden wird Als Elektrodenmaterialien werden Nickel und elektrisch leitfähige Oxide eingesetzt Auf den keramischen Festelektrolyten werden poröse Elektroden aufgebracht Die Eigenschaften der keramischen Materialien erfordern spezielle Verabeitungstechniken Im Hinblick auf Kostenreduzierungen auf materialtechnischer Seite wird an einer Verringerung der Betriebstemperatur der SOFC auf ca 800 C teilweise auch auf bis zu 600 C gearbeitet wobei bei diesen Temperaturen der Festelektrolyt schlechtere Leitfähigkeiten aufweist Aufgrund der sehr hohen Betriebstemperaturen können auch CO haltige Gasgemische aus Reformierungsreaktionen unmittelbar umgesetzt werden Eine Reformierung ermöglicht prinzipiell den Einsatz verschiedener Brennstoffe z B Erdgas Kohlegas Biogas eingesetzt werden Der gesamte Reformierungsschritt kann bei Verwendung von Erdgas Methan in die Brennstoffzelle integriert werden interne Reformierung so dass sich wesentliche Vereinfachungen bei der Betriebsführung der SOFC ergeben Abbildung links SOFC Prinzip Quelle Hexis Diese Brennstoffzelle bedarf keines Elektrolytmanagements und verspricht ein hohes Entwicklungspotenzial Der systembedingten Unempfindlichkeit

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  • Wirkungsgrad und Gesamtsystem
    groß bzw sogar größer sein als 100 Im letzteren Fall wird der Umgebung die Wärme entzogen Die Brennstoffzelle liefert unmittelbar elektrischen Strom mit der theoretischen Gleichspannung E rev Damit erhält man theoretische Wirkungsgrade von über 80 Bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 25 C beträgt die entsprechende Gleichspannung für diese Reaktion 1 23 Volt Diese Spannung ist eine Funktion der Temperatur d h dasselbe gilt auch für den Wirkungsgrad Bereits im Stack kommt es durch Ohmsche Verluste und Überspannungen Verluste durch Stofftransport bereits zur Wirkungsgradabsenkung Im Betrieb einer Brennstoffzelle erhält man die Stromdichte Potential Kurven die wie folgt ausschauen Quelle Ledjeff Hey In der Praxis erhält man also eine Klemmenspannung der Einzelzelle von 0 7 V Benötigt man höhere Spannungen so werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet und man erhält einen Brennstoffzellenstapel Stack So lassen sich theoretisch beliebig größe Spannungen erzielen Dem sind jedoch durch Kühlungsprobleme und Strömungsverluste bei der Zuführung der Reaktionsgase Grenzen gesetzt Je nach Brennstoffzellentyp erhält man Zellwirkungsgrade von bis zu 70 Aufgrund der besseren Reaktionskinetik bei höheren Temperaturen liegt der Wirkungsgrad von SOFC im allgemeinen höher als bei PEMFC beim thermodynamischen Wirkungsgrad hingegen ist die Relation umgekehrt Hinzukommt dass der Wirkungsgrad von Stacks über einen hohen Lastbereich annähernd konstant bleibt Die konventionellen Wärmekraftmaschinen arbeiten effektiver bei Volllast mit einem stärkeren Leistungsabfall im Teillastbetrieb Hierin sind auch die großen Vorteile der Brennstoffzelle beim Einsatz in Fahrzeugen zu sehen Der Dieselmotor hat seinen höchsten Wirkungsgrad bei hohen Leistungen In der Regel fährt man jedoch im Teillastbetrieb Wirkungsgrad des Brennstoffzellengesamtsystems Ein komplettes Brennstoffzellensystem setzt sich aus zahlreichen Komponenten zusammen Neben dem eigentlichen Brennstoffzellenmodul Stack Zellstapel besteht ein Brennstoffzellensystem aus Komponenten zur Brenngaserzeugung Luftversorgung Kühlung und Steuerung Bei einem mobilen System muss der Energieträger Wasserstoff Methanol in Tanks mitgeführt werden Der aus der Brennstoffzelle kommende Gleichstrom

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  • Historie
    von Kokereigas diente Wasserstoff in einem Gasgemisch zu Leucht und Heizzwecken Bereits Jules Verne prophezeite 1874 die Wasserstofferzeugung aus Wasser durch Elektrolyse unter Nutzung von Elektrizität Eduard Justi und John O M Bockris griffen diese Idee 1956 und 1962 wieder auf 1986 wurde das HYSOLAR Projekt HYdrogen SOLAR solarer Wasserstoff gestartet die Herstellung von solarem Wasserstoff wurde in dem Deutsch Saudiarabischen Projekt erstmals im technischen Maßstab demonstriert Die Einführung von Erdgas mit 80 bis 90 Volumenprozent Methan beendete die Ära der wasserstoffreichen Gasgemische auf dem Energiemarkt wobei Erdgasreformierung sowie Kohlevergasung bei Erzeugung eines wasserstoffreichen Synthesegases für viele Syntheseanwendungen bis hin zum Kombi Kraftwerk mit CO2 Abtrennung und Wasserstoffnutzung erhebliche Potenziale für den Energiemarkt darstellen Wasserstoff ein wichtiger Industrierohstoff Wasserstoff ist seit langem ein wichtiger Rohstoff für die chemische und petrochemische Industrie er wird überwiegend für die Herstellung von Ammoniak mit den Folgeprodukten Düngemittel und Kunststoffe sowie zur Verarbeitung von Erdöl zu Kraftstoffen und hochwertigen Chemieprodukten genutzt Darüber hinaus wird Wasserstoff für Reduktionsprozesse in der Metallurgie als Kühlmittel in elektrischen Generatoren als Schutzgas in der Elektronik zum Schweißen und Schneiden im Maschinenbau sowie zur Fetthärtung in der Lebensmittelindustrie benötigt Die Verwendung von Wasserstoff zur nicht energetischen und indirekt energetischen Nutzung hat

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  • Erzeugung
    nicht genannt wird wie die Exergie des zugeführten Dampfes bewertet wird Steht keine Dampfquelle zur Verfügung wie es häufig bei der dezentralen Reformierung der Fall ist wird über eine erhöhte partielle Oxidation die zur Verdampfung von Wasser nötige Wärme bereitgestellt Wasserstoffherstellung per Erdgas Dampfreformierung Quelle DLR Wasserelektrolyse Die elektrochemische Gewinnung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse ist seit über hundert Jahren etabliert Sie wird meist dort eingesetzt wo kein Erdgas zur Verfügung steht Künftig erlaubt die Elektrolyse darüber hinaus die Nutzung großer Mengen überschüssigen Stroms aus fluktuierenden erneuerbaren Energien Für die elektrolytische Zersetzung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff H 2 O l H 2 g ½ O 2 g benötigt man unter Standardbedingungen T 0 0 298 15 K und p 0 1 bar mindestens die der Reaktionsenthalpie von ΔH R 286 kJ mol und der thermoneutralen Spannung von U 0 1 48 V Brennwertspannung entsprechende Energie von 3 54 kWh Nm 3 Die praktisch notwendigen Zellspannungen liegen jedoch erheblich über der Brennwertspannung Bei Nennung des Wirkungsgrads wird als Nutzen üblicherweise entweder der Heizwert 3 0 kWh Nm 3 oder der Brennwert des gewonnenen Wasserstoffs angesehen Ersterer bietet sich an wenn der Wasserstoff zur Stromerzeugung oder Kraftstoff verwendet wird Dagegen wird der Brennwert bevorzugt wenn eine Einspeisung in das Erdgasnetz vorgesehen ist Die elektrochemische Wasserzersetzung durch Elektrolyse besteht aus zwei Teilreaktionen die durch einen ionenleitenden Elektrolyten getrennt sind Je nach verwendetem Elektrolyten unterscheidet man drei grundlegende Verfahren der Wasserelektrolyse die alkalische Elektrolyse mit einem flüssigen basischen Elektrolyten der umgewälzt wird die saure PEM Elektrolyse mit einem protonenleitenden polymeren Festelektrolyten und die Hochtemperatur Elektrolyse mit einem sauerstoffleitenden Festoxid als Elektrolyt SOEC Grundformen der Wasserselektrolyse Quelle FZ Jülich Die alkalische Elektrolyse ist ein etabliertes Verfahren dem aufgrund der bisherigen Anwendung zur kontinuierlichen Wasserstoffproduktion eine gewisse Trägheit attestiert wird Konkrete Systeme wurden aber durchaus bereits von Netzbetreibern zur Regelenergiebereitstellung qualifiziert Stromdichten liegen im Bereich 0 2 0 4 A cm² Die größten in der Vergangenheit installierten Anlagen Lurgi lieferten pro Stapel 740 Nm³ h Normkubikmeter pro Stunde bei einem Druck von 30 bar und einer elektrischen Leistung von 3 6 MW was einem spezifischen Energiebedarf von 4 9 kWh Nm³ und einem mit dem Heizwert gebildeten Wirkungsgrad von 61 7 entspricht Für die Zellenstapel Stacks werden Standzeiten bis zu 90 000 h angegeben In Demonstratoren wurden Drücke weit jenseits der 100 bar realisiert Die PEM Elektrolyse die eine höhere Stromdichte bis zu 2 A cm² im Dauerbetrieb und bei gleicher Stromdichte einen deutlich höheren Wirkungsgrad bietet ist im kleinen Leistungsbereich für die Erzeugung hochreinen Wasserstoffs seit langem etabliert Für Energiespeicheranwendungen werden heute erste Anlagen bei Kunden demonstriert Neben der hohen Stromdichte sind wegen des Einsatzes einer weitgehend gasdichten Membran auch höhere Drücke sicher realisierbar oder man kann tiefere Teillasten als bei der alkalischen Elektrolyse realisieren Auf Stack Ebene werden 5 bis 10 der Nennlast als realistisch angesehen Am Ersatz des hier benötigten Platin Katalysators durch kostengünstigere Katalysatoren wird intensiv geforscht nicht zuletzt in NRW Die Hochtemperatur Elektrolyse bietet ein hohes Wirkungsgradpotential insbesondere

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  • Infrastruktur
    Wasserstoff eingesetzt Röhrenspeicher bestehen aus Pipelinerohren großen Durchmessers die in geringen Tiefen in ebenem Gelände eingegraben werden und an der Oberfläche eine Begrünung oder gar eine landwirtschaftliche Nutzung erlauben Sie werden zumeist von lokalen Versorgern angelegt um Erdgas Nachfrageschwankungen auszugleichen sind aber in räumlicher Nähe zu Untertage Großspeichern nicht wirtschaftlich betreibbar Die Distribution kann mit Druckgastrailern Flüssiggastrailern oder Pipelines erfolgen Heute werden über Pipelines bereits große Mengen an Wasserstoff transportiert angeschlossen sind hieran jedoch nur Erzeuger und Verbraucher im groß industriellen Maßstab So existiert in NRW eine 240 km lange Wasserstoffpipeline die Reformer Raffinerien und Chemiebetriebe verbindet Die übliche Distributionsform für mittlere Mengen ist der Druckgastrailer Zumeist arbeiten diese bei 200 bar seltener bei 300 Einige Gaselieferanten haben jüngst Trailer mit einem Druckniveau von 500 bar entwickelt um die Transportkapazität pro Trailer zu erhöhen Ander Hersteller ziehen nach Die Transportmenge wird damit von gut 500 kg auf etwa 1100 kg erhöht Wasserstoffverflüssigung bietet eine noch höhere Energiedichte ein entsprechender Trailer kann etwa 4 t an Wasserstoff transportieren Der energetische und technische Aufwand der Wasserstoff Verflüssigung lohnt sich nur bei großen Transportentfernungen und dort wo explizit Bedarf an flüssigem Wasserstoff besteht Die Nutzung von Flüssigwasserstoff an Tankstellen erlaubt es aber einen Teil der für die Verflüssigung aufgewendeten Energie an der Tankstelle wieder einzusparen Die Technikauswahl erfordert eine Einzelfallbetrachtung Wasserstofftransport per 500 bar Druckgas Trailer Quelle Linde AG An Tankstellen wird Wasserstoff zumeist mit 350 oder und mit 700 bar angeboten Pkw Hersteller favorisieren seit einigen Jahren die 700 bar Technik da man die Wasserstofftechnik vorerst in existente Serienfahrzeuge integrieren will und da der höhere Druck bei begrenztem Raumangebot Fahrzeuge größer Reichweiten ermöglicht Ein Hersteller setzt auf Flüssigwasserstoff im Drucktank Der erste kommerziell erhältliche BZ Pkw hat bereits eine Reichweite von knapp 600 km Bis zu 800 km Reichweite werden von Fahrzeugherstellern

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  • Power-to-Gas
    die Nutzung überschüssigen Stroms aus erneuerbarer Energie Im engeren Sinn ist die Einspeisung des erzeugten Wasserstoffs oder des damit erzeugten Methans in das Erdgasnetz fester Bestandteil wobei direkte Nutzungen von Wasserstoff ausgeklammert werden Zur Abgrenzung davon wird der Begriff Power to Hydrogen für die Pfade vom Überschussstrom zu reinen Wasserstoffanwendungen verwendet Bisherige Untersuchungen haben gezeigt dass ein Wasserstoffgehalt im einstelligen Prozentbereich im Erdgas in vielen Fällen unkritisch ist wenn die brenntechnischen Kenndaten des DVGW Arbeitsblattes G 260 eingehalten werden Allerdings sind derzeit Restriktionen zu beachten für Tanks von Erdgasfahrzeugen und Erdgastankstellen DIN 51624 Gasturbinen mit schadstoffarmen Vormischbrennern Prozessgaschromatographen Poren Gasspeicher Reformer und Industrieöfen Die flächendeckende Anpassung des Transportnetzes für einen Wasserstoffgehalt von 1 vol ist kostengünstig für eine Anpassung auf 10 vol würden laut Netzentwicklungsplan 2012 Kosten in Höhe von 4 Mrd anfallen Die Unsicherheiten bezüglich der Wasserstoffverträglichkeit großer Industrieanlagen und Gasturbinen Flammenlängen Flammenrückschlag sind beträchtlich Die mit Anpassungsmaßnahmen verbundenen Kosten vielfach noch nicht abzusehen Für die Einspeisung von synthetischem Methan bestehen dagegen keine Restriktionen und damit riesige Mengenpotentiale Nachteilig sind allerdings gewisse Umwandlungsverluste und unter Umständen ein gewisser Aufwand zur Bereitstellung des CO2 An der Reduktion der Verluste durch geschickte Prozesskopplung wird jedoch intensiv gearbeitet und dort wo CO2

    Original URL path: http://www.fuelcell-nrw.de/wasserstoff/power-to-gas/?L=4%5C%5C%5C%22OnMouseove (2016-02-10)
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