Brennstoff aus der Biotonne

In Leonberg dient Biogas aus Haushaltsabfällen seit Herbst 2006 der Brennstoffzelle HotModule als Brennstoff. Seitdem sind die Motoren-BHKW nur noch zweite Wahl.

02. Mai 2007

Vielseitigkeit hat das HotModule, die Brennstoffzellenanlage der Ottobrunner CFC Solutions GmbH, häufig demonstriert. Projekte in Krankenhäusern und Industrie, im Nahwärmenetz und einer Kläranlage zeugen von den Einsatzmöglichkeiten der 250-kW-Kleinkraftwerke. Meist kommt Erdgas als Brennstoff zur Anwendung, doch mittlerweile beweist die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle immer öfter ihre Eignung für Bio-Brennstoffe: Nach Biomethanol und Klärgas findet nun auch der Betrieb mit Biogas statt.

In der Vergärungsanlage Leonberg arbeitet seit vergangenem Herbst das weltweit erste HotModule mit diesem Brennstoff. Er wird erzeugt durch das Vergären von Kartoffelschalen und Gartenabfällen, Gemüse- oder Speiseresten; aus allem, was die 375.000 Einwohner des Landkreises Böblingen in die grüne Tonne werfen.

Betreiber der neuen Anlage ist die Biogas- Brennstoffzellen GmbH, eine Tochtergesellschaft des Abfallwirtschaftsbetriebs des Landkreises Böblingen. Ihr Chef Wolfgang Bagin ist in Personalunion einer der Werkleiter des Abfallwirtschaftsbetriebs. Bagin steht voll und ganz hinter der Brennstoffzelle: »Betriebe wie unserer müssen den Mut haben, neue Technik zu erproben, um den Weg zu einer umweltfreundlicheren Energieerzeugung zu ebnen.« Ein Engagement, das 2006 mit dem ›f-cell award Bronze‹ gewürdigt wurde.

Dank diverser Fördergelder auch wirtschaftlich tragbar

Vertrauen in die Brennstoffzelle hatte Bagin von Anfang an, nur die Finanzierung bereitete ihm Sorgen. »Wir wollten die Kosten für die innovative Anlage nicht auf die Abfallgebühren umlegen.« Dank diverser Fördergelder, vom Bund, dem Land Baden-Württemberg, der EnBW Energie Baden-Württemberg, von RWE Fuel Cells GmbH und der DaimlerChrysler AG, musste der Abfallwirtschaftsbetrieb nur noch ein Fünftel der Investitionssumme aufbringen.« Damit stelle sich die Brennstoffzellenanlage für den Landkreis Böblingen sogar wirtschaftlich tragbar dar, sagt Bagin.

Die Biogasnutzung ist wirtschaftlich interessant. Statt die Abfälle aus der grünen Tonne zu kompostieren, werden sie deswegen seit Ende 2004 in Leonberg vergärt. Das hierbei erzeugte Biogas dient dem Betrieb von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK). Der Strom gelangt ins öffentliche Netz und wird mit etwa 15 ct/kWh vergütet, die Wärme beheizt den Faulturm und trocknet die Gärreste.

Puffer gleicht Schwankungen im Biogasanfall aus

Zur Biogaserzeugung wird der Abfall zunächst zerkleinert und gesiebt sowie von eventuellen Metallstücken befreit. Dann wird der so entstandene Brei mit dem Inhalt des Fermenters gemischt. Dort verweilt er im Durchschnitt drei Wochen, bevor er den Faulturm als Gärrest verlässt. Der wird getrocknet und zu Kompost weiterverarbeitet. Im Faulturm gärt die Biomasse bei etwa 55 °C und erzeugt ein Gasgemisch, das etwa 50 bis 75 % energiereiches Methan enthält. Ein 780 m³ großer Speicher puffert das Biogas und gleicht Schwankungen zwischen Verbrauch und Erzeugung aus.

Bagin begründet die große Bandbreite des Brennwerts: »Im Sommer, wenn Substanzen wie Gartenabfall in der grünen Tonne sind, ist der Brennwert niedriger. Im Winter sind die energiereichen Küchenabfälle der Hauptbestandteil, daher ist der Methananteil dann oft über 65 Prozent.« Im Jahresdurchschnitt bestehe das Biogas zu etwa drei Fünfteln aus Methan, genug für den Betrieb von Blockheizkraftwerken und des neuen HotModules.

Die Vergärungsanlage verfügte bereits über einen Biogasmotor mit rund 1.000 kW elektrischer Leistung und einen weiteren Biogasmotor mit rund 500 kW. Die beiden Maschinen haben sich zwar bewährt, sind aber dennoch zweite Wahl seitdem das HotModule in Leonberg steht. Die Brennstoffzelle übertrumpft die beiden motorischen Blockheizkraftwerke im elektrischen Wirkungsgrad um satte neun Prozentpunkte. »Das bedeutet mehr Strom pro Kilowattstunde Biogas und damit mehr Vergütung«, erklärt Bagin.

Im August 2006 ging das HotModule in den Probebetrieb, im Oktober 2006 nahm es den regulären Betrieb auf. Bis Jahresende lief die Brennstoffzelle mit wechselnder Last (etwa 60 bis 100 %) und erzeugte dabei zirka 250.000 kWh Strom. Nach einigen Wochen kontinuierlichen Betriebs wurde die Anlage kurz vor Weihnachten das erste Mal für längere Zeit abgestellt.

»Zu diesem Zeitpunkt waren die Aktivkohlefilter, die Schwefel und Siloxane sowie Kohlenwasserstoff und Fluor aus dem Gas waschen, bereits voll«, erklärt Bagin. »Wir hatten noch keinen Ersatz für die Filter, daher wurde das HotModule vorübergehend außer Betrieb genommen.«

Bagin versichert, dass die Brennstoffzelle unproblematisch sei. Vielmehr hätten periphere Einheiten wie die Hilfsgasversorgung zum Hochfahren des HotModules oder die Filtertechnik bisher Anlass für ungeplante Stillstände gegeben. Der Funktion des Kleinkraftwerks hat das jedoch nicht geschadet.

Das beste Pferd im Stall der Böblinger KWK-Anlagen

Werkleiter Bagin berichtet, der Wirkungsgrad sei nach jedem Neustart ein wenig eingebrochen, erhole sich jedoch wieder. Erfahrungsgemäß liege er im Volllastbetrieb bei 46 bis 48 % und bei Teillast nur wenig darunter. Das gestattet laut Messungen der Böblinger eine elektrische Leistung bis zu 247 kW.

Mit diesen Werten ist die Brennstoffzelle »das beste Pferd im Stall« der Böblinger KWK-Anlagen. Bagin hofft daher auf eine lange Betriebszeit. Rund vier bis fünf Jahre wären gut, meint er, dann sei auch seine Wirtschaftlichkeitsberechnung erfüllt. Doch nicht nur finanzielle Aspekte machen das HotModule zu seinem Lieblingsaggregat. »Was aus dem Kamin kommt, ist deutlich sauberer als bei den Motoren«, erklärt der Werkleiter. Weil Stickoxide und Kohlenmonoxid an der Nachweisgrenze liegen, spricht CFC Solutions sogar von Abluft.

Abwärme der Brennstoffzelle für Fermenter zu schade

Die Nutzwärme der Brennstoffzelle dient dem Trocknen der Gärreste. Für den Fermenter wird ausschließlich die Abwärme der Motoren genutzt, denn es wäre zu schade, die rund 400 °C heiße Abluft der Brennstoffzelle für einen Prozess zu nutzen, der bei 55 °C abläuft. Die Gärrestetrocknung benötigt 120 °C, ein Temperaturniveau, das wiederum die motorischen BHKW nur knapp erreichen. Beide Prozesse verlangen ganzjährig nach Wärme, daher ist die Vergärungsanlage optimal für den KWK-Betrieb.

Mit der Installation des HotModules in Leonberg ist die CFC Solutions ihrer ›Biovision‹ ein Stück näher gekommen. Mit diesem Ausdruck bezeichnen die Ottobrunner ein System, bei dem Bioenergie den Brennstoff liefert und die Produkte des HotModules - Strom, Wärme und CO2 als Dünger - in einem Gewächshaus wiederum dem Wachstum von Pflanzen dienen. In Leonberg wird der Strom ins Netz gespeist, das Kohlendioxid nicht als Dünger genutzt. Aber immerhin dient die Wärme dem Aufarbeiten von Gärresten zu Kompost.

»Damit ist ein großer Schritt in Richtung Biovision getan«, sagt Michael Bode, Geschäftsführer der CFC Solutions GmbH. Diesen Namen trägt die ehemalige MTU CFC Solutions GmbH seit Februar. Zum Jahresanfang übernahm die Tognum GmbH von der RWE Fuel Cells GmbH deren Minderheitsanteil von 18,1 % am bisher gemeinsam geführten Jointventure.

Ralf Dunker

ProjektpartnerIn einem Boot

Den Anstoß zu dem Leonberger Projekt, der weltweit ersten großtechnischen Biogasnutzung im HotModule, gab das Kompetenz- und Innovationszentrum Brennstoffzelle der Region Stuttgart, das dieses Vorhaben gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik begleitet. Neben CFC Solutions als Brennstoffzellenentwickler und -hersteller wirken die RWE Fuel Cells GmbH als Generalunternehmer und der Landkreis Böblingen bzw. dessen Tochtergesellschaft Biogas-Brennstoffzellen GmbH als Anwender mit. Mit dabei ist außerdem die EnBW Energie Baden-Württemberg AG, die das HotModule schon aus einem anderen Projekt kennt und jetzt Erfahrungen mit dem Biogasbetrieb sammeln möchte.

Wir sehen positiv in die Zukunft

Michael Bode, Geschäftsführer der CFC Solutions, zu den Perspektiven der Brennstoffzellenanlage HotModule.

bzm: Das Jahr 2007 beginnt für Sie mit einigen Neuerungen: Die Tognum GmbH hat die Minderheitsbeteiligung von RWE Fuel Cells übernommen und ist nun Alleingesellschafter der CFC Solutions. Zudem firmiert die ehemalige MTU CFC Solutions unter neuem Namen und mit eigenem Logo. Was bedeutet das für Ihre Kunden und Interessenten?

»Unsere Anlagen haben bis heute kumuliert etwa 300.000 Betriebsstunden absolviert.«

Dass RWE Fuel Cells ihre Anteile an dem Joint Venture abgegeben hat, beruht auf einer strategischen Entscheidung des RWE-Konzerns. HotModule-Projekte, die unter der Flagge der RWE Fuel Cells begonnen haben, werden weiterhin von deren Spezialisten betreut und genießen wie bisher unsere volle technische Unterstützung. Für unsere Kunden ändert sich nichts. Die Tognum GmbH ist sehr an innovativer Energietechnik interessiert und sieht - wie wir auch - mit neuem Namen und eigenem Logo der weltweiten Vermarktung unseres HotModules positiv entgegen.

bzm: Außer dem HotModule gibt es weitere Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme für industrielle und gewerbliche Anwendungen. In welchen Punkten lassen Sie den Wettbewerb hinter sich?

Einer der wesentlichen Punkte ist unser Erfahrungsschatz. Wir haben frühzeitig begonnen, das HotModule unter Praxisbedingungen zu testen; das sogar in verschiedenen Anwendungen und mit diversen Brennstoffen. Unsere Anlagen haben bis heute kumuliert etwa 300.000 Betriebsstunden absolviert und in dieser Zeit knapp 40 Millionen Megawattstunden erzeugt. Bemerkenswert ist auch, dass sich unser Brennstoffzellenstapel mit bis zu 30.000 Stunden ohne Austausch als sehr langlebig erwiesen hat.

bzm: Bisherige Installationen Ihrer Brennstoffzelle waren immer in der 250-kW-Klasse angesiedelt. Wird sich daran etwas ändern?

Das Prinzip des HotModules ist skalierbar. Nach unten sind die Grenzen in erster Linie durch den Aufwand für die Peripherie, etwa die Gasaufbereitung, gesetzt. Irgendwann ist ein Verkleinern nicht mehr sinnvoll. Nach oben bestehen quasi keine Restriktionen. Wir arbeiten bereits daran, auch Kraftwerke mit Leistungen bis etwa 2.000 kW zu entwickeln und zu bauen.

bzm: Welche Innovationen sind aus Ihrem Hause in Kürze zu erwarten?

Im Moment konzentrieren wir uns darauf, die bisher gesammelten Betriebserfahrungen zur Fortentwicklung der Zelltechnik und Ausreifung des HotModules zu nutzen. Des Weiteren werden wir wie bereits erwähnt unsere Produktpalette ausbauen und uns auf unsere Zielmärkte konzentrieren. 2008 werden wir dann auf der Hannover Messe ein paar gravierende Neuerungen präsentieren. Was, möchte ich aber noch nicht verraten.

Ralf Dunker

Erschienen in Ausgabe: 01/2007