Pilotprojekt gibt Anstöße

Das Forschungsprojekt ›Pilotbetrieb einer SOFC mit Grubengas‹ ist abgeschlossen. Der Reformerbetrieb erbrachte gute Ergebnisse, bei der eingesetzten Brennstoffzelle ist v. a. die Fügetechnik zu verbessern.

10. März 2008

»Die Brennstoffzellentechnik gilt als eine Zukunftstechnologie der Strom- und Wärmeerzeugung. Gerade für dezentrale Anwendungen im unteren und mittleren Leistungsbereich könnte sich die Brennstoffzelle mittel- bis längerfristig am Markt etablieren«, sagt Dr. Andreas Dengel von Evonik New Energies. Das Energieunternehmen ist neben dem Forschungszentrum Jülich und dem Institut für Zukunfts-Energie-Systeme (IZES gGmbH), Saarbrücken, ein Partner des Forschungsvorhabens ›Pilotbetrieb einer SOFC mit Grubengas‹. Die Zielrichtung lag laut Dengel insbesondere darin, die Technologie der Hochtemperatur-Brennstoffzelle kennenzulernen und Betriebserfahrung damit zu sammeln. Das Projekt startete bereits im November 2003. Zu Beginn wurde die Anbindung des vorgesehenen Testfeldes an das innerhalb von Europa einzigartige 110 km lange saarländische Grubengasverbundnetz realisiert. Im darauf folgenden Jahr begannen die Partner die Gasqualität am Standort Luisenthal in einem sechs Monate dauernden Langzeitversuch gaschromatografisch zu erfassen und auszuwerten. Im Mittelpunkt standen hier die temporären Schwankungen des Methangehaltes im Grubengas. Wie Experte Dengel dazu erläutert, wird eine »effektive Nutzung des Grubengases unter anderem durch den diskontinuierlichen Anfall, die zeitlich stark variierende Qualität sowie die schwankende Nachfrage der angeschlossenen Nutzer erschwert«. Signifikante Merkmale des Gases im saarländischen Grubengasnetz sind die Schwankungsbreite in der Methankonzentration sowie die zeitliche Änderung der Methankonzentration und die schwankenden Fördermengen pro Zeitintervall. Begründen lässt sich dies unter anderem damit, dass das Verbundnetz über zwölf verschiedene Einspeisestellen mit Grubengas versorgt wird. Parallel dazu führte das FZJ erste Versuche mit synthetischem Grubengas durch, dies sowohl am Reformer als auch an der SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Im zweiten Quartal 2005 wurde der Brennstoffzellenteststand am Standort Luisenthal aufgebaut und im zweiten Halbjahr in Betrieb genommen. Anfang 2006 erfolgten erste Versuche zum Verhalten des Reformers im Betrieb mit Grubengas. Anschließend integrierte man eine Brennstoffzelle in den Teststand. »Die Reformierung läuft im Grunde wie bei Erdgas ab«, erläutert Dr. Bodo Groß vom IZES. Im Unterschied zu Erdgas enthält Grubengas jedoch bis zu 10 % Sauerstoff. »Dieser wandelt sich im Reformer mit dem entstehenden Wasserstoff in Wasser um, stellt also Energie zur Verfügung, woraus folgt, dass der Wärmeeintrag verringert werden muss«, so Groß weiter. In insgesamt 17 Versuchsreihen wurde der Reformer im Zeitraum zwischen März 2006 und August 2007 etwa 1.600 Stunden betrieben. Während der Versuche lag der Methangehalt des Grubengases zwischen 25 und 49 Vol-%. Die Regeltemperatur des Reformers betrug in diesem Zeitraum zwischen 400 und 475 °C. Wie der Leiter des Arbeitsfeldes Energiesystemtechnik am IZES berichtet, stellte man das S/C-Verhältnis zwischen 1,9 und 5,8 ein. Die Auswertung erfolgte unter den Gesichtspunkten Methangehalt des Grubengases, Reformertemperatur sowie S/C-Verhältnis. Zudem stand das Verhalten des Reformers in Abhängigkeit seiner Laufzeit im Blickpunkt der Forscher. Groß ist mit den Ergebnissen des Reformerbetriebs sehr zufrieden: »Die Erwartungen wurden voll erfüllt, teilweise sogar übererfüllt«, berichtet er. Nach den knapp 20 Zyklen habe man eine leichte Undichtigkeit zwischen Luft und Brenngasseite detektiert. Laut Groß wolle man jetzt die letztendliche Ursache noch feststellen, eine rasche Lösung werde angestrebt.

Leckage zwischen Anode und Kathode am SOFC-Stapel

Nicht ganz so erfolgreich verlief der Test mit den nach dem Jülicher ›Standard-F-Design‹ aufgebauten SOFC-Stapeln. Diese zeichnen sich durch eine parallele Anströmung der Zellfläche mit Luft und Brenngas aus. Ermöglicht wird dies durch die Integration der Gasverteilungsstrukturen innerhalb der Interkonnektorplatten. Nach Ende der Abnahmetests bauten Mitarbeiter der Jülicher Forschungsstätte die Stapel in den Teststand ein. Dies sowie die Verspannung, der Anschluss der Messtechnik, die Isolierung sowie der elektrische Anschluss geschah ohne Schwierigkeiten. Erst als nach dem Aufheizen des Systems Grubengas zugeschaltet wurde, musste nach kurzem Betrieb die Inbetriebnahme abgebrochen werden. »Durch die im Vergleich zum Prüfstand im FZJ höheren Differenzdrücke in der Anlage zwischen Anoden- und Kathodenseite trat eine Leckage nicht tolerierbaren Ausmaßes auf, sodass ein weiterer Betrieb des Stapels nicht mehr möglich war«, erläutert Professor Ludger Blum vom FZJ. Der Test zeige zwar die grundsätzliche Eignung der Jülicher SOFC-Technik, mache aber auch deutlich, dass die Fügetechnik weiter verbessert werden muss, gibt Blum zu bedenken. »Die Versuche mit unterschiedlicher Brenngasnutzung und mit Variationen der Betriebsparameter haben gezeigt, dass der Betrieb mit Grubengas bis zu einer Brenngasnutzung von 70 Prozent problemlos und mit guten Leistungsdichten möglich ist«, so Professor Blum. Generell biete die Verwendung von Grubengas in Hochtemperaturzellen enorme Wirkungsgradpotenziale auch durch einen eventuell nachgeschalteten Dampfprozess. Die Jülicher Experten haben sich gleich an die Arbeit gemacht: Nachdem die Fügetechnik für den Betrieb in einer Anlage ertüchtigt war, fertigte man zu Beginn des Jahres 2008 einen neuen SOFC-Stapel, mit dem in diesem Jahr weitere Versuche in der Anlage in Luisenthal erfolgen sollen. Wie Dengel betont, denkt man derzeit über ein Folgeprojekt nach. Dabei gibt er zu bedenken, dass bis zur kommerziellen Nutzung noch F&E-Arbeiten gekoppelt mit einem Demonstrationsprojekt durchzuführen sind. Diese Aufgaben könnten dann beispielsweise innerhalb des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff und Brennstoffzelle (NOW) durchgeführt werden. Angedacht ist hierbei die Einbindung einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle auf Basis Grubengas in eine dezentrale Energieversorgungsanlage der Evonik New Energies. (mn)

www.evonik.de

Erschienen in Ausgabe: 01/2008