Brennstoffzelle für dezentrales Kraftwerk

DLR nimmt Teststand in Betrieb

05. Oktober 2009

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat, nach eigenen Angaben, einen deutschlandweit einmaligen Teststand für druckaufgeladene Hochtemperaturbrennstoffzellen in Betrieb genommen und damit einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur leistungsstarken dezentralen Energieversorgung erreicht.

Mit dem Brennstoffzellenteststand zur Erforschung der Grundlagen eines Hybridkraftwerkes können die Wissenschaftler im Stuttgarter DLR-Institut für Technische Thermodynamik das Verhalten von Brennstoffzellen bei erhöhtem Druck analysieren. Die Untersuchungen dienen der Entwicklung eines Hybridkraftwerks, das die Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einer Mikrogasturbine koppelt und langfristig den höchsten erreichbaren Wirkungsgrad bei der Stromproduktion im dezentralen Bereich bis zu einem Megawatt verspricht.

Die Herausforderung liegt dabei in der Zusammenschaltung der Mikrogasturbine – einer kleinen Gasturbine mit bis zu 250 kW elektrischer Leistung, in der ein verdichteter, heißer Gasstrahl eine Turbine in Bewegung setzt – mit der Hochtemperaturbrennstoffzelle. Die Betriebstemperatur der mit Überdruck betriebenen Brennstoffzelle liegt bei rund 1.000 °C.

Hierbei entstehen neben der Stromgewinnung noch über 850 °C heiße Abgase. Diese werden dann der Gasturbinenbrennkammer zugeführt. Durch den erhöhten Eintrittsdruck und die höhere Effizienz der Brennstoffzelle benötigt das Hybridkraftwerk im Vergleich zum klassischen Gasturbinenkreislauf bedeutend weniger Brennstoff.

Das DLR-Institut für Technische Thermodynamik forscht im Projekt ‚Hybridkraftwerk‘ am Teilsystem Brennstoffzelle: Die Brennstoffzelle, die hier zum Einsatz kommt, ist die Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, die aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und niedriger Schadstoffemissionen hervorragend für die stationäre Strom- und Wärmeerzeugung geeignet ist. Sie wandelt, wie alle Brennstoffzellen, Brenngase direkt in Strom und Wärme um.

Das spezielle druckaufgeladene SOFC-System könnte mit einem bisher nicht erreichten Wirkungsgrad von 50 Prozent punkten und ist deshalb für ein leistungsstarkes Hybridkraftwerk ein interessantes Subsystem. Ihre Leistung hängt allerdings von zahlreichen Betriebsparametern wie beispielsweise Temperatur, Gaszusammensetzung und Druck ab. Diese Daten können vom Verhalten unter normalen atmosphärischen Bedingungen nicht einfach abgeleitet werden. Der neue Teststand des DLR ermöglicht es, das elektrochemische Verhalten der Brennstoffzelle bei erhöhtem Druck zu analysieren.

Nach Abschluss der ersten Phase des Projektes “Hybridkraftwerk“ soll gemeinsam mit den Partnern, dem DLR-Institut für Verbrennungstechnik und dem Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart, und mit Unterstützung aus der Industrie eine Demonstrationsanlage im Leistungsbereich unter einem Megawatt aufgebaut werden. Die für das kombinierte System zu erwartenden Wirkungsgrade liegen weit über 60 % – eine deutliche Steigerung gegenüber der besten Einzelkomponente, der Brennstoffzelle mit 50 % Wirkungsgrad.