HotModule für Hamburgs HafenCity

Ein Städtebau-Projekt der Superlative wie Hamburgs HafenCity verlangt auch eine zukunftsweisende Energieversorgung. Eine Brennstoffzelle hat im Versorgungskonzept bereits ihren festen Platz: Im Heizwerk nimmt ein ‚HotModule’ den Betrieb auf.

23. Februar 2006

Das Projekt ist europaweit einmalig. Auf 155 ha entsteht mitten im Herzen Hamburgs ein komplett neuer Stadtteil, die HafenCity. Etwa 40.000 Menschen werden hier arbeiten, 12.000 sollen hier ihr neues Zuhause finden. Auch Kunst, Kultur, Parks und Freizeitflächen kommen nicht zu kurz. Ein ähnlich umfassendes Innenstadtprojekt gibt es in keiner Metropole Europas.

Was die HafenCity so einzigartig macht, ist ihre zentrale Lage: Sie schließt südlich an die Speicherstadt an und erstreckt sich bis zu den Hafenbecken und der Elbe. Das Gebiet liegt nur ungefähr 1 km vom Hauptbahnhof entfernt. Bis zur Fertigstellung des neuen Stadtteils mit seiner rund 1,8 Mio. m² Bruttogeschossfläche sollen noch knapp zwei Jahrzehnte vergehen. Doch schon heute wachsen Gebäudebestand und Neubauten zusammen. Und es werden bereits die Grundsteine für die Infrastruktur gelegt, zum Beispiel für die Energieversorgung.

Ökologie und Ökonomie im Gleichgewicht

Die HafenCity Hamburg GmbH wünschte sich eine wirtschaftliche Lösung, die mit geringen CO2-Emissionen einhergeht. Ökologie und Ökonomie sollten mit verfügbarer Technik ins Gleichgewicht gebracht werden; maximal 200 g CO2/kWh Wärme wurden gefordert. Dass dieser Wert auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten durchaus realistisch ist, zeigt das Konzept der Vattenfall Europe: Es unterbietet die Marke um etwa ein Fünftel - und erhielt in 2003 die Zustimmung der HafenCity Hamburg. Deren Energieversorgung stützt sich auf die Energieträger Steinkohle, Haus- und Gewerbemüll, Erdgas und geringe Mengen von Heizöl sowie Solarthermie.

Das Konzept führt das schon bestehende Fernwärmenetz mit dezentralen Erzeugungseinheiten zusammen. Mit dem Baufortschritt wächst das Wärmenetz. Unter anderem sollen später dezentrale Blockheizkraftwerke verbrauchernah Energie bereitstellen. Der Anteil an Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) liegt bei rund drei Viertel. Strom und Wärme sollen nicht nur in großen Heizkraftwerken parallel erzeugt werden, auch in den vorgesehenen Blockheizkraftwerken und der vor einigen Wochen in der HafenCity installierten Brennstoffzelle sichert Kraft-Wärme-Kopplung eine optimale Brennstoffnutzung.

Die neue Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, ein ‚HotModule’ der MTU CFC Solutions GmbH in Ottobrunn, soll bei Erscheinen der vorliegenden bzm-Ausgabe ihren Betrieb aufnehmen. Sie steht neben dem wenige Jahre alten 350-MW-Erdgasheizwerk HafenCity. Ein Ort mit Geschichte: Ganz in der Nähe erstrahlten 1844 Hamburgs erste Gaslaternen, und noch vor Ende des 19. Jahrhunderts verrichteten 58 Elektrokräne im Hafen ihren Dienst; bis 1911 waren es stattliche 350.

Doch nicht die Geschichte gab den Ausschlag bei der Standortwahl. „Die räumliche Nähe zum Heizwerk HafenCity ermöglicht unseren Teams, schneller Erfahrungen mit dieser für uns neuen Technik zu sammeln“, nennt Jesko Mohr, Projektleiter bei Vattenfall Europe, den Grund für die Platzierung des HotModules.

Das HotModule, das erste in der Hansestadt, liefert eine elektrische Leistung von etwa 245 kW und rund 170 kW Wärme. In Hamburg wird es mit Erdgas betrieben (möglich wäre auch der Einsatz von zum Beispiel Bio- oder Klärgas) und erreicht einen Wirkungsgrad von gut 80 %.

Das hocheffektive Umwandeln der Primär- in Nutzenergie führt dazu, dass die CO2-Emissionen je Kilowattstunde deutlich unter denen motorischer Blockheizkraftwerke liegen. Abgase fallen so gut wie gar nicht an: Schwefeldioxid und Stickoxide liegen unterhalb der Messgrenze und die CO-Produktion beträgt nicht einmal 9 ppm. Mit diesen Werten darf das, was dem Kamin des HotModules entweicht, als Abluft bezeichnet werden. Dieser Aspekt spricht dafür, bei einer innerstädtischen dezentralen Energieversorgung auf die Brennstoffzellentechnik zu setzen.

Prädestiniert für den Einsatz in der Stadt

Weitere Pluspunkte sammeln die elektrochemischen Wandler beim Vergleich der Schallemissionen. Während die etablierten KWK-Techniken, Motor und Turbine, mit ihren beweglichen Zentralkomponenten eine Geräuschkapselung erfordern, damit sie im Wohngebiet Akzeptanz finden, punktet die Brennstoffzelle mit ihrem leisen Betrieb. Von ihr sind ausschließlich Nebenaggregate wie die Pumpen und Ventilatoren zu hören.

Doch deren Geräusch ist jenseits einer normal dicken Außenmauer schon kaum noch wahrzunehmen. „Das HotModule bringt daher optimale Voraussetzungen mit, um auch in Städten, ja sogar Wohngebieten, eine effiziente und saubere dezentrale Energieversorgung zu schaffen“, erklärt Michael Bode. Der Geschäftsführer der MTU CFC Solutions sieht Nahwärmenetze als attraktives Einsatzgebiet an. „Nach etlichen Projekten, die wir in der Industrie und in Krankenhäusern erfolgreich umgesetzt haben, möchten wir nun verstärkt Anwender in der Nahwärmeversorgung adressieren.“ Mit einer Installation in Krefeld-Fischeln ging letztes Jahr die erste Anlage in Betrieb, die Wärme für den Wohnungsbau liefert.

Brennstoffzelle könnte Motor verdrängen

Auch Vattenfall-Projektleiter Mohr sieht ein hohes Potenzial im HotModule. „Noch nimmt die Hochtemperatur-Brennstoffzelle im Rahmen unseres Projekts Pilotstatus ein. Aber sollte das HotModule bis zum Bau der geplanten Blockheizkraftwerke in drei Jahren marktreif sein, könnten wir uns vorstellen, statt der angedachten Gasmotoren Brennstoffzellen zu installieren“, erklärt er. Das HotModule eignet sich außerdem für ein effektives Klimatisieren, denn es stellt Nutzwärme bei etwa 400 °C bereit. „Die Wärme eignet sich hervorragend für den Betrieb von Absorptionskälteanlagen“, sagt Bode, „etwa zum Klimatisieren von Büroetagen oder Rechenzentren.“ KWK ermöglicht einen ganzjährigen Betrieb bei einer hohen Nutzenergieauskopplung, was sich wiederum positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.

Besitzer größerer Serverräume, wie Banken und Versicherungen, könnten mit Hilfe des HotModules sogar direkt mit hochwertigem Gleichstrom versorgt werden. Weil sich die Brennstoffzelle außer mit Erdgas auch mit Methanol ‚im fliegenden Wechsel’ betreiben lässt, erlaubt sie eine vom Stromnetz- und Gasnetz-unabhängige Energieversorgung.

Als permanente Premium-Stromquelle könnte sie manche unterbrechungsfreie Stromversorgung entbehrlich machen. Bode dazu: „Gerade innerstädtische Gebiete wie die HafenCity mit einem hohen Anteil an Gewerbeflächen bieten optimale Voraussetzungen für diese Art der Energieversorgung.“ Für die Energieunternehmen eröffnet das neue Chancen.

Mit der Installation einer einzigen Anlage könnten sie Wärme, Kälte und Premium Power bereitstellen - mit Bio- und Klärgas oder aus Müll gewonnenem Methanol sogar CO2-neutral.

Vielseitig und verlässlich

Wenn Brennstoffzellen Alltagstauglichkeit beweisen sollen, sind zigtausend Betriebsstunden kontinuierlichen Einsatzes und Effizienz gefragt. Wie zum Beispiel bei Michelin in Karlsruhe, wo die EnBW Energie Baden-Württemberg AG drei Jahre lang ein HotModule der MTU CFC Solutions betrieb. „Die junge Brennstoffzellentechnik hat sich als recht standfest erwiesen“, berichtet Dr. Alois Kessler, Projektleiter im Bereich Forschung und Entwicklung beim Energie-Konzern EnBW.

„Fast 24.000 Stunden lang lief die Karbonatschmelze-Brennstoffzelle bei Michelin. Damit brach sie 2005 sogar einen Rekord und erreichte die höchste Stromproduktion aller weltweit installierten HotModules.“ Rund 220 kW gab die Zelle im Durchschnitt ab; erst gegen Ende der Betriebsdauer war es weniger.

Kessler: „Der Alterungsprozess führt dazu, dass manche Zellen des Stacks im Laufe der Zeit überhitzen. Daher haben wir die Anlage in den letzten Betriebsmonaten geringer belastet und schrittweise bis auf halbe Nennleistung gedrosselt.“ Im September 2005 ging das HotModule außer Betrieb. Nun steht es, getrennt vom Versorgungsnetz und der Medienzufuhr, bei Michelin und wartet auf die weitere Verwendung. Dazu Kessler: „Wir prüfen derzeit die Möglichkeit, einen neuen Stack einzusetzen und das Projekt fortzuführen“.

Im Projektverlauf hat man auch einige Kinderkrankheiten gemeistert und daraus wichtige Erkenntnisse für einen weiteren Betrieb gewonnen. „Zum Beispiel konnten wir anfangs dem HotModule nur vier Fünftel der Stromleistung entlocken“, erklärt Kessler. Das habe sich geändert, nachdem die Ursache, ein Fehler in der Inverter-Software, beseitigt war. Außerdem stellte sein Team fest, dass die Aktivkohlefilter in der Erdgaszufuhr schneller aufgebraucht waren als geplant. Eine Frage der Gasqualität, wie sich herausstellte.

Erschienen in Ausgabe: 01/2006