|
Unterstützt von der Wirtschaftsfördergesellschaft der Region Stuttgart (WRS) bilden diese Einrichtungen einen so genannten Cluster, der an der Brennstoffzelle und ihrem
praktischen Einsatz arbeitet. Forschungseinrichtungen, Industrie, Energiewirtschaft und Zulieferer schlossen sich zu einem Netzwerk zusammen, das die Energietechnik des 21.
Jahrhunderts nach vorne bringen soll. Durch die Bündelung der Entwicklungspotenziale vernetzt arbeitender Akteure soll die Entwicklung stationärer, mobiler und portabler
Brennstoffzellenanwendungen beschleunigt werden. Die Wirtschaftsförderung erwartet von dieser Kooperation entscheidende Vorteile im globalen Wettbewerb, die Region die Schaffung
weiterer, zukunftsorientierter Arbeitsplätze; Städte und Gemeinden hoffen auf Steuereinnahmen und Mittel zum Ausbau der wirtschaftlichen und kulturellen Infrastruktur.
|
|
Das Land Baden-Württemberg plant ein Kompetenz-Zentrum Brennstoffzelle, die WRS richtet vom 15.-16. Oktober erstmals einen internationalen Kongress in Stuttgart aus: Zielgruppe
der Tagung "f-cell" und einer begleitenden Messe sind Produzenten und Anwender. Die Veranstaltungen sollen die vielfältigen Aktivitäten rund um die Brennstoffzelle koordinieren,
über Anbieter von Produkten und Dienstleistungen informieren und die Marktchancen der neuen Technologie aufzeigen. Am 15. Oktober wird erstmals der von der WRS, der
DaimlerChrysler AG und der EnBW AG ausgelobte "f-cell-award" verliehen. Der Innovationspreis Brennstoffzelle ist mit insgesamt 50.000 DM dotiert.
|
50-zelliger Brennstoffzellen-Stapel (Stack) des ZSW Ulm mit 1kW Leistung. Foto: ZSW
|
|
Viele der Referenten kommen aus dem Großraum Stuttgart. Hier ist auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit seinem Institut für Technische Thermodynamik (ITT)
ansässig. Unter dem Dach des Projekthauses Brennstoffzelle in Kirchheim-Nabern arbeiten die DaimlerChrysler AG, eine Niederlassung des US-Brennstoffzellenherstellers Ballard Power
Systems und die EXCELLSIS GmbH an Lösungen für den Einsatz der Brennstoffzelle in Automobilen. Im Ulm erforscht der Arbeitsbereich II des Zentrums für Sonnenenergie- und
Wasserstoff-Forschung schwerpunktmäßig portable Systeme.
Der "Kompetenzatlas Brennstoffzelle 2001/2002" der WRS stellt 5 Initiativen und Projekte, 15 Unternehmen sowie 7 Forschungseinrichtungen im Bereich Großraum Stuttgart vor.
|
|
Wasserstoff statt Öl und Kohle - Zukunftsmusik oder Energiewende?
Personenkraftwagen und Omnibusse, deren Abgase gegen Null tendieren, ermöglichen individuelle Mobilität in Stadt und Land. Brennstoffzellenaggregate ersetzen die Heizungsanlage in
Eigenheimen, Betrieben oder ganzen Wohnvierteln. Laptops, tragbare MP3-Player und andere elektronische Kleingeräte laufen lange - Visionen, die schon in wenigen Jahren wahr werden
können: Der höchst effektive Energiewandler Brennstoffzelle und Wasserstoff als Energieträger sollen die Grundlagen einer völlig veränderten Energieversorgung werden. Die
Brennstoffzelle produziert Energie direkt, ohne den Umweg über Verbrennungsprozesse, mit Wasserstoff betrieben sogar emissionsfrei. Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) reagieren in
der Zelle, Strom wird erzeugt, Wasser (H2O) bleibt übrig. Im Idealfall wird der Wasserstoff solar produziert: Photovoltaikanlagen liefern den Strom für eine
Elektrolyse, den Vorgang, in dem Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff "zerlegt" wird. In der Brennstoffzelle läuft dieser Prozess in umgekehrter Richtung ab:
Elektrische und thermische Energie wird nutzbar.
|
|
|
Funktion einer Membran-Brennstoffzelle (PEFC) mit Wasserstoff/Sauerstoff-Betrieb.
|
Ergebnisse der Raumfahrt-Forschung für den Alltag
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), mit fast 5.000 Mitarbeitern an acht Standorten und in vier Außenstellen die größte ingenieurwissenschaftliche Einrichtung in
Deutschland, nutzt Hightech-Know-how für ganz irdische Zwecke. Sein Stuttgarter Institut für Technische Thermodynamik (ITT) erforscht die Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle,
die unter anderem die erste Mondlandung im Jahr 1969 ermöglichte. Auch das Space Shuttle wird von Brennstoffzellen mit Energie und Wärme versorgt.
Langjährige Erfahrung beim Entwurf, Bau und Betrieb von Anlagen zur elektrolytischen Wasserstoffproduktion mit solarer Energieversorgung sammelte das ITT im Projekt HYSOLAR: Das
DLR produziert solaren Wasserstoff mit Photovoltaik-Anlagen. In Stuttgart mit einer 10 kWp-Anlage, im saudi-arabischen Riad im großen Maßstab und mit einer
Solarstrom-Spitzenleistung von 350 Kilowatt. Bereits in den 80er Jahren betankte das DLR einen PKW mit Wasserstoff - der voluminöse Tank steht mittlerweile im Foyer des
HYSOLAR-Gebäudes, die mittlerweile längst ausrangierte Tankstelle wird im Keller aufbewahrt. Neue Aufgaben und Projekte zur Wasserstoffnutzung fordern die Wissenschaftler, denn
noch sind die Herstellungskosten der Brennstoffzelle im Gegensatz zu ihrer Lebensdauer viel zu hoch.
|
|
Effektive Energieversorgung im großen und im kleinen Maßstab
Zu den Vorzügen der Brennstoffzelle zählen auch ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Membran-Brennstoffzellen (PEFC) mit einer Betriebstemperatur von zirka 80° C kommen in
tragbaren und stationären Systemen zur Stromversorgung sowie in wasserstoffbetriebenen Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Hochtemperatur-SOFC-Zellen (Solid Oxide Fuel Cell) arbeiten
im Bereich von 900-1000° Celsius. Ihr Kernstück, die Membrane Electrodes Assembly (MEA), besteht aus drei Schichten: Anode, Elektrolyt (keramischer Ionenleiter) und Kathode. An
der Phasengrenze der Kathode wandern die Sauerstoff-Protonen (+) durch das Elektrolyt zur Anode, während die Elektronen (-) einen Umweg nehmen, auf dem elektrischer Strom
abgezweigt werden kann. Das oxidkeramische Elektrolyt ist derzeit erst bei Betriebstemperaturen um 900° C ausreichend ionenleitfähig.
|
|
Die Hochtemperatur-SOFC-Zellen eigenen sich besonders für die stationäre Wasserstoffnutzung in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. Eine 100kW-Pilotanlage wurde von Westinghouse 1998 in
Holland errichtet. Die EnBW AG plant ein Kraftwerk mit einer Leistung von einem Megawatt im baden-württembergischen Marbach, gemeinsam mit der Siemens Westinghouse/Siemens AG, Gaz
des France (GDF) und der Tiroler Wasserkraftwerke AG. Die zusätzliche Nutzung der Abwärme der Brennstoffzelle durch eine nachgeschaltete Mikrogasturbine soll den Leistungs- und
Wirkungsgrad auf bis zu 60 Prozent des elektrischen Nettowirkungsgrades steigern. Das MEGASOFC-Projekt soll 2003 an einem historischen Kraftwerksstandort in Betrieb gehen. In
einem der ehemaligen Kesselhäuser des Energie- und Technologieparks Marbach wird bereits hochwertige Solartechnik hergestellt: Hier produziert die Würth Solar GmbH seit Juni 2000
Dünnschichtzellen.
|
3-D Bild des geplanten 1-MW-SOFC Brennstoffzellenkraftwerks der EnBW.
Grafik: EnBW
|
Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage der Siemens Westinghouse / Siemens AG.
Foto: Siemens AG
|
Neue Produktionsverfahren und Tests zur Kostensenkung
Brennstoffzellen sind nach Auskunft der Entwickler technisch ausgereift und erreichen schon jetzt eine zufriedenstellende Lebensdauer - doch sie sind noch immer zu teuer, um
wirtschaftlich zu sein. Die Forscher des DLR entwickelten deshalb ein Plasmaspritzverfahren für oxidkeramische Festelektrolyt-Brennstoffzellen (SOFC) und fanden eine Lösung für
die industrielle Fertigung der Elektroden-Membran-Einheit von Polymerelektrolyt-Zellen (PEFC). Seit 1997 betreibt das ITT im HYSOLAR-Gebäude eine Versuchsanlage für
Polymer-Membran-Zellen (PEMA).
|
|
Sie dient der Analyse und Erprobung neuer und verbesserter Komponenten sowie zu systemtechnischen Untersuchungen. Die elektrische Ausgangsleistung des Gesamtsystems reicht bis 12
kWel; es kann im stationären stromgeführten Betrieb zur elektrischen Energieerzeugung, im wärmegeführten Betrieb als Blockheizkraftwerk sowie zur Simulation mobiler
Anwendung genutzt werden. Als Brennstoff wird durch die Elektrolyse mittels Solarstrom gewonnener Wasserstoff verwendet: Mit gereinigter Umgebungsluft als Oxidant liefern die
getesteten PEM-Blöcke emissionsfreie Energie.
|
Polymermembran-Brennstoffzellen-Testanlage PEMA. Foto: DLR
|
|
Wasserstoff von der Sonne ist aber auf dem Markt noch nicht zu haben - für die mittelbare Zukunft setzt die Industrie deshalb auf Methanol oder reformiertes Erdgas als
Primärenergiequelle. Und die Ingenieure des ITT erweitern ihr Dienstleistungsangebot um Tests von Zellen, die mit diesen Energieträgern betrieben werden.
|
Brennstoffzellen für den portablen Einsatz
PEM-Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung und tragbare Geräte bringt auch das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung in Ulm zur Marktreife. Auch hier werden
Komponenten und Systeme getestet und optimiert. Das Leistungsspektrum reicht von 0,1 bis 100 Kilowatt (kW). Mit ihrem kompakten Powerbag (20 Zellen-Stack, 200 Watt Dauerleistung)
haben die Ulmer Forscher ein mobiles Kraftwerk für den Antrieb von Booten, Kühlschränken oder die portable Stromversorgung geschaffen. Die ZSW "FuelCell Powerbag" misst nur 45 x
40 x 32 cm.
|
|
Es geht aber noch kleiner: Methanol-Zellen können Ladegeräte für Handys oder sogar eine Taschenlampe geräusch- und emissionsarm mit Strom versorgen. Der Brennstoff Methanol
zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus und kann aus verschiedenen Rohstoffen gewonnen werden, beispielsweise aus Erdgas, mittel- oder langfristig auch aus regenerativen
Energieträgern wie Biomasse und Holzresten oder aus Müllrückständen. Die "Maglite BZ"-Lampe enthält einen 3-Zellen-Stack mit 4 Watt Spitzenleistung. Die integrierte
Metallhydridpatrone liefert 30 Wattstunden Energie.
|
|
Brennstoffzellen-Taschenlampe "Maglite BZ" des ZSW Ulm. Foto: ZSW.
|
Mit neuem Antrieb in die Zukunft
Auf Methanol setzt auch die Automobilindustrie. Gegenwärtig testen alle namhaften Automobilhersteller Brennstoffzellen im Alltagsbetrieb. In Kalifornien sind mehr als 50 solcher
Fahrzeuge unterwegs. In Kirchheim-Zabern zwischen Stuttgart und Ulm sind die fortgeschrittensten mobilen Brennstoffzellenaggregate unterwegs: Ein Brennstoffzellen-Bus der
DaimlerChrysler AG, der Lieferwagen "Sprinter" und die Wasserstoff-A-Klasse in Form des NECAR.
Die 500 Mitarbeiter des Projekthauses Brennstoffzelle von DaimlerChrysler, Ballard Power Systems und der XCELLSIS GmbH verfolgen mit ihren Projekten das Ziel, im Straßenverkehr
CO2-Emissionen zu senken, die Luftqualität der großen Städte zu verbessern und die Abhängigkeit vom Erdöl zu verringern.
|
|
Brennstoffzellen-Fahrzeuge der DaimlerChrysler AG. Foto: DaimlerChrysler AG
|
|
Die Brennstoffzelle nutzt die Energie des Kraftstoffs fast doppelt so gut wie ein Ottomotor. "Weltweit arbeitet die Automobilindustrie mit Hochdruck an der Brennstoffzelle",
beschreibt der Vorstandsvorsitzende von DaimlerChrysler, Jürgen Schremmp, die gegenwärtigen Aktivitäten, die sich in einer großen Zahl neuer Arbeitsplätze niederschlagen. "Allein
in Deutschland sind durch die Brennstoffzellentechnologie schon über 1.000 hochqualifizierte Arbeitsplätze entstanden, davon rund 500 bei DaimlerChrysler und seinen
Tochterunternehmen. In den letzten Jahren hat das Unternehmen bereits 16 Pkw, Transporter und Busse mit Brennstoffzellenantrieben ausgerüstet. Ende 2002 werden die ersten Busse an
europäische Nahverkehrsunternehmen ausgeliefert, die ersten Pkw folgen 2004."
Eine Probefahrt mit dem NEBUS (New Electric Bus) überzeugt: Das Fahrzeug beschleunigt dank seines Elektromotors ruckfrei und dennoch kräftig wie ein Diesel, es kann mit seiner
Spitzengeschwindigkeit von 80 Stundenkilometern problemlos im Stadtverkehr mithalten und erweist sich zudem als besonders geräuscharmer Verkehrsteilnehmer. Die Brennstoffzellen
sorgen nicht nur für den Antrieb des Busses; sie liefern auch fahrbetriebsunabhängig den Strom für die Klimaanlage oder die Standheizung.
Mit der Brennstoffzellen-A-Klasse will DaimlerChrysler in die Massenproduktion einsteigen. Schon 2004 sollen die ersten alltagstauglichen Fahrzeuge unterwegs sein und im
Flotteneinsatz getestet werden. Die Markteinführung ist für 2010 geplant. Der NECAR hat sich seit seiner Premiere im Jahr 1994 wesentlich verändert: Bedurfte es zur Unterbringung
des Brennstoffzellen-Aggregats damals noch eines Transporters, passt die Light-Duty Fuel Cell-Engine von EXCELLSIS nun in den Sandwichboden des Kompaktfahrzeugs. Der NECAR 5
erreicht Geschwindigkeiten von über 150 Stundenkilometern. Sein Antriebsaggregat ist nicht nur 50 % leistungsfähiger als das des NECAR 3 aus dem Jahr 1997, sondern auch nur noch
halb so groß und 300 Kilogramm leichter. Ein weitere Option ist die Direktmethanol-Brennstoffzelle, welche den Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord überflüssig macht.
Damit könnten die Systeme noch einfacher und kompakter werden.
|
|
Ein ganz einfaches und kompaktes Fahrzeug bietet die Franckh-Kosmos Verlagsgesellschaft an: Im KOSMOS Experimentierkasten "Brennstoffzelle" steckt eine reversible Zelle. Sie
erzeugt mit einem Solarmodul per Elektrolyse Wasserstoff, der in die Brennstoffzelle eingeleitet und in elektrische Energie und Wasser zurückverwandelt wird. So kann
Brennstoffzellentechnologie anschaulich erfahren werden.
Brennstoffzellen für zuhause: Der KOSMOS-Experimentierkasten. Foto: Franckh-Kosmos. Verl.
|
|
|
Lesen Sie auch den Solar-Report
"Brennstoffzelle und solarer Wasserstoff - ein Kraftpaket für die Zukunft?"
Den KOSMOS-Experimentierkasten "Brennstoffzelle" erhalten Sie im SolarserverStore
Knappe und anschauliche Informationen zur Brennstoffzelle sowie Links zu weiteren Webseiten bietet das
Solar-Lexikon.
|
|
