CO2-neutral in die Zukunft

Titel - Im Austausch für ein älteres motorisches Blockheizkraftwerk setzt Dalkia in Barth auf ein Hybridsystem aus Brennstoffzelle und Gasmotor. Es wird Biogas zur Strom- und Wärmeproduktion nutzen.

13. April 2010

••• Den meisten Menschen ist Barth als Tor zur Ostsee bekannt, doch die etwa 10.000 Einwohner große Stadt hat mehr zu bieten als Wasser, Wind und Wellen: Vor zwei Jahren hat die Stadtverwaltung den Ent-schluss gefasst, Barth zur ›Null-Emissions-Stadt‹ zu entwickeln – energieeffiziente Innovationen sind daher willkommen. Das zeigte zum Beispiel schon vor einigen Jahren die Inbetriebnahme eines Wasserstoffbusses. Er ist den Klimaschutzzielen der Stadt und ebenso den Touristen zu verdanken, denn im Sommer reichte die Kapazität der örtlichen Kläranlage nicht mehr aus. Daher wurde eine mit Solarstrom betriebene Elektrolyseanlage angeschafft, die Sauerstoff zur Leistungssteigerung des Belebungsbeckens erzeugt - und zugleich Wasserstoff für den Brennstoffzellenbus. Der ÖPNV wurde klimafreundlicher.

Dieses Jahr macht Barth einen weiteren wichtigen Schritt auf dem Weg zur Null-Emissions-Stadt. Bald soll eine neue Kraft-Wärme-Kopplungsanlage dazu beitragen, den Grundbedarf im Nahwärmenetz zu decken. Sie arbeitet dank des Einsatzes von Biogas CO2-neutral.

Das Projekt ist eine Premiere: Der Anlagenlieferant MTU Onsite Energy – ein Unternehmen der Tognum-Gruppe – führt hier erstmals sein hauseigenes Brennstoffzellensystem HotModule und einen Biogasmotor zum sogenannten Hybridkraftwerk zusammen. Erstmalig wird hier auch eine neue Technologie zur Reinigung des Brenngases von Halogenen eingesetzt.

Das Biogas für das Kraftwerk wird von der Biogas Barth kommen. Die Anteile an dem 1997 am Stadtrand gegründeten Unternehmen halten die Dalkia und Dalkia Energie Service sowie örtliche Partner, unter anderem Landwirte. Schlachtereien und Landwirte aus der Region liefern jährlich zirka 18.000t organische Abfälle und 42.000t Rindergülle.

Nach einer Hygienisierung bei 70°C gelangt die Biomasse zum Vergären in den Fermenter. Für diese beiden Prozesse nutzt das Unternehmen die Wärme zweier bereits vor Ort installierter Motor-Blockheizkraftwerke (BHKW). Bei der Vergärung entstehen neben Biogas etwa 52.000m³ Dünger pro Jahr.

Die beiden Gasmotoren der Biogasanlage sind in die Jahre gekommen; eine der Maschinen soll bald stillgelegt werden. Doch statt gleichartigen Ersatz zu besorgen, schaute Dalkia sich nach effizienteren Möglichkeiten um. Andreas Baude, Ge-schäftsführer der Dalkia mit Sitz in Neu-Isenburg, berichtet, warum Brennstoffzellen (BZ) dabei im Fokus standen: »Die Produktion und Verwendung von Biogas ist ein Beitrag zum Klimaschutz, den wir durch eine optimale Energieumwandlung maximieren können. Unser Unternehmen ist daher an innovativen Entwicklungen mit der Brennstoffzellentechnologie besonders interessiert und möchte frühzeitig Erfahrungen mit ihnen sammeln.«

Das HotModule der MTU Onsite Energy Fuel Cell Systems aus Ottobrunn ist für diesen Betrieb mit Biogas geeignet. Um dessen Nutzenergie optimal zu verwenden, untersuchte ein Dalkia-Projektteam die Möglichkeiten.

Grundlastversorgung für das Nahwärmenetz

Da die Biogasanlage mit der Wärme von einem motorischen BHKW auskommt, ging das Projektteam auf die Stadtwerke Barth zu. Diese betreiben ein Nahwärmenetz mit rund 8MW Anschlussleistung und beliefern 1.600 Wohneinheiten mit Heizenergie und Warmwasser. Hier besteht sogar in den Sommermonaten ein Wärmebedarf von mehreren hundert Kilowatt – ausreichend, um die Brennstoffzelle dauerhaft auszulasten.

Es kam zur Kooperation: Zusammen planten Dalkia und die Stadtwerke, das örtliche Heizkraftwerk um ein Brennstoffzellensystem zu erweitern. Die Partner einigten sich, dass die Stadtwerke das Grundstück bereitstellen und Dalkia das Kraftwerk errichten lässt und betreibt. »Wir sind zwar nur indirekt an dem Projekt beteiligt, indem wir die Wärme aus dem Hybridkraftwerk kaufen, aber es ist dennoch extrem interessant für uns«, sagt Hans-Jürgen Fritz, Leiter Technische Systeme bei den Stadtwerken.

Finanzielle Vorteile haben die Stadtwerke nicht. Die Wärme aus der Brennstoffzelle kostet ähnlich viel wie bei der Eigenerzeugung. Aber sie können in den drei Jahren Projektdauer verfolgen, wie die Energieausbeute des umweltfreundlichen Hybridkraftwerks im Vergleich zu einem reinen Gasmotor-BHKW ist. Denn sie selbst verfügen über motorische Erdgas-BHKW und Spitzenlastkessel.

Auch Wissenschaftler aus Magdeburg sind gespannt, wie sich das Hybridkraftwerk bewährt: Über die Projektdauer wird das ›Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme‹ den Betrieb begleiten. Im Rahmen eines Forschungsvertrages arbeitet es mit Dalkia zusammen.Nicht nur sie beobachten die Fortschritte, auch die Brennstoffzellenbranche hat hohe Erwartungen. Denn die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) hat das Projekt ausgewählt, sodass Dalkia im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) rund 1,8Mio.€ Fördergelder erhält.

Das Hybridkraftwerk von MTU Onsite Energy vereint die Stärken der Brennstoffzelle aus Ottobrunn mit denen des Gasmotors, der am Standort Augsburg gefertigt wird. Pluspunkte der Brennstoffzelle sind zum Beispiel ihr hoher elektrischer Wirkungsgrad von zirka 49% sowie der hohe Teillastwirkungsgrad.

Mehrstufige Abgasreinigung schont die Zelle

Ferner werden Schwankungen des Methangehalts im Biogas von der BZ durch Anpassen des Gasmassenstroms ausgeglichen. Auch entsteht saubere Abluft: quasi kein SO2 und NOx sowie nur wenig CO. Das prädestiniert die Technik auch für den innerstädtischen Betrieb und die Installation in sensiblen Umweltzonen.

Die elektrochemische Reaktion läuft bei hohen Temperaturen ab. Häufiges An- und Abschalten oder hektische Lastwechsel würden das System thermisch und mechanisch stark belasten und somit den Verschleiß fördern. Daher ist für die Brennstoffzelle Dauerbetrieb geplant.

Für die nötige Flexibilität des Kleinkraftwerks sorgt der MTU-Biogasmotor. Er verträgt Kaltstarts gut und ist im Leistungsbereich von 50 bis 100% seiner Nennleistung flexibel einsetzbar. Im Vergleich mit der Brennstoffzelle arbeitet er jedoch mit einem geringeren elektrischen Wirkungsgrad. Der Motor ist für den Betrieb mit Biogas ausgelegt, die typischen Verunreinigungen des Gases, zum Beispiel Schwefelverbindungen, sind für ihn leicht verdaulich.

Die Brennstoffzelle ist dagegen sensibler, was Verunreinigungen des Gases angeht: Schwefelhaltige Substanzen und Halogene lassen den Stapel schnell altern. Daher befindet sich vor der BZ eine mehrstufige Biogasreinigung, die MTU entwickelt hat.

Das Hybridkraftwerk kombiniert die beiden Maschinen derart, dass die Brennstoffzelle möglichst in einem Betriebspunkt betrieben wird, während der Gasmotor ein Überangebot des Biogases verarbeitet. Die Steuerung dieses Systems erfolgt durch eine übergeordnete Leittechnik (MCS), die MTU Onsite Energy ebenfalls liefert. Dieses Maschinenmanagement verfügt über Schnittstellen, um bis zu drei weitere Energieerzeugungsanlagen einzubinden, sodass auch das weiterhin einzusetzende BHKW-Aggregat auf dem Gelände der Biogas Barth in den Regelkreis aufgenommen werden kann.

Insgesamt wird der neue Verbund rund 150kWel mehr abgeben als heute. Das HotModule HM400 liefert bis zu 345kWel brutto und 205kWth, der Gasmotor der Baureihe 400 (Modell GC 192 B5) trägt mit 192kWel und 214kWth zur Energieausbeute bei. Dazu kommt die Energie, die das BHKW auf dem Gelände der Biogasanlage bereitstellt. Die Regelung setzt die Energiewandler entsprechend der verfügbaren Brennstoffmenge ein. »Priorität hat das BHKW auf dem Gelände der Biogasanlage, dort ist Prozesswärme unentbehrlich«, erklärt Baude. Hier wird jedoch nur ein Teil des erzeugten Biogases verbraucht. »Der Rest reicht auch bei niedriger Biogasproduktion aus, um die Brennstoffzelle im Hybridkraftwerk zu betreiben.« Damit diese keinem thermischen Stress ausgesetzt wird, steht sie in der Prioritätenfolge an nächster Stelle. Der neue Gasmotor wird je nach Brennstoffmenge flexibel eingesetzt.

Die Installation des Hybridkraftwerks läuft auf Hochtouren: Die Anlagen wurden im Winter aufgestellt und warten nun nur noch auf die Brennstoffversorgung und die Anbindung an das Strom- und Fernwärmenetz. Die etwa 3,3km lange Biogaspipeline zur Brennstoffversorgung lässt Dalkia gerade bauen. »Eine Gaspipeline ist energetisch sinnvoller als eine Fernwärmeleitung, denn beim Wärmetransport über die lange Strecke würden thermische Verluste entstehen«, erklärt Fritz.

Sobald die Installation des Hybridkraftwerks abgeschlossen ist, kann der Betrieb also losgehen. Wer in Barth dieses Jahr nicht nur die Wellen der Ostsee, sondern auch das Duschen in der Ferienwohnung genießt, tut beides vielleicht CO2-neutral. Der Betrieb des Hybridkraftwerks soll jedenfalls im Sommer starten. •••

Ralf Dunker

Erschienen in Ausgabe: 01/2010