Im BHKW treibt ein Gasmotor mit Kolben einen Generator mechanisch an. Eine Brennstoffzelle arbeitet anders: Die chemische Energie des Brennstoffs wird direkt in Strom umgewandelt, ohne zunächst einen Kolben oder eine Turbine anzutreiben. Dabei entsteht weiterhin Wärme, sodass ein gut geplantes System zugleich Strom und nutzbare Wärme liefern kann.
Methan wird zunächst in einen für die Zelle geeigneten Brennstoff umgewandelt
Biogas besteht überwiegend aus Methan und Kohlendioxid. In stationären Systemen wird Methan in einem Reformer oder innerhalb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle in ein wasserstoffreiches Gasgemisch umgewandelt. Durch die elektrochemische Reaktion entsteht Gleichstrom, den ein Wechselrichter für das Netz und die Verbraucher am Standort aufbereitet.
Hochtemperaturverfahren wie SOFC und MCFC können interessant sein, weil sie eine interne oder externe Reformierung von Methan ermöglichen und Wärme auf höherem Temperaturniveau liefern. Niedertemperatur-PEM-Zellen benötigen in der Regel zuvor erzeugten, sehr reinen Wasserstoff; ihr Gasversorgungspfad ist daher komplexer.
Die Biogasreinigung ist entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb
Rohgas aus dem Fermenter darf einer Brennstoffzelle nicht ohne Aufbereitung zugeführt werden. Kondensat und Partikel sind zu entfernen und Schwefelwasserstoff auf einen sehr niedrigen Wert zu senken. Je nach Einsatzstoff müssen auch Siloxane, halogenierte Verbindungen, Ammoniak und weitere Spurenstoffe überwacht werden, die den Katalysator vergiften oder Ablagerungen bilden können.
Die genauen Grenzwerte unterscheiden sich je nach Modell. Ausgangspunkt für die Planung müssen daher die Spezifikation des ausgewählten Herstellers, eine Analyse des tatsächlichen Biogases und ein klarer Plan für den Austausch von Adsorbentien und Filtern sein. Einsparungen bei der Gasreinigung können zu sehr teuren Schäden am Energiemodul führen.
Welche Vorteile kann eine Brennstoffzelle bieten?
- hohen elektrischen Wirkungsgrad ohne herkömmlichen Verbrennungsprozess und mechanischen Generator
- ruhigen Betrieb mit wenigen Vibrationen und geringer lokaler Geräuschentwicklung
- sehr geringe Stickoxid- und Partikelemissionen im Vergleich zu herkömmlichen Motoren
- modulare Erweiterung der Leistung bei manchen Bauarten
- Nutzung der Wärme für Fermenter, Warmwasser oder industrielle Prozesse
Den größten Nutzen bietet die Technik, wenn die Anlage einen stabilen Strombedarf für die Grundlast und einen tatsächlichen Wärmeabnehmer hat. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad allein macht die Investition noch nicht wirtschaftlich, wenn das System häufig stillsteht oder Gasreinigung zu viel Energie und Verbrauchsmaterial benötigt.
Warum überwiegt bislang der Gasmotor?
Gasmotoren verfügen über zahlreiche Referenzen, ein ausgebautes Servicenetz und bekanntes Verhalten bei schwankender Biogasqualität. Brennstoffzellen erfordern in der Regel höhere Anfangsinvestitionen, eine genauere Gasreinigung und spezialisierten Service. Einige Bauarten benötigen längere Aufheizzeiten und eignen sich nicht für häufiges An- und Abfahren.
Sie sollten deshalb nicht als universeller Ersatz beschrieben werden. Brennstoffzellen sind eine alternative Technik zur Energieumwandlung und können Vorteile haben, wenn elektrischer Wirkungsgrad, geringe Geräuschentwicklung, niedrige lokale Emissionen und kontinuierlicher Betrieb wichtig sind und der Standort geeignetes Gas sowie langfristige technische Unterstützung gewährleisten kann.
Was sollte vor einer Angebotsanfrage geprüft werden?
In den technisch-wirtschaftlichen Vergleich gehören Zusammensetzung und Schwankungen des Biogases, Energiebedarf der Gasreinigung, Verfügbarkeit des Moduls, Kosten für den Stack-Austausch, Wert der Wärme, Service-Reaktionszeit und die Möglichkeit zum Inselbetrieb. Der Vergleich mit einem KWK-Motor muss dieselbe jährliche Gasmenge und dieselbe Verfügbarkeit zugrunde legen.
Quellen und weiterführende Literatur
- U.S. EPA – CHP Technologies
- U.S. Department of Energy – Entschwefelung von Faulgas für Brennstoffzellen verbessern (EN)
- U.S. Department of Energy – Biogasnutzung mit Brennstoffzellentechnik erweitern (EN)
Dieser Artikel dient der Information. Erforderliche Gasqualität, Leistung, Wirkungsgrad, Lebensdauer und Wartungsbedarf sind für die konkrete Technik und Biogaszusammensetzung zu bestätigen. Die Illustration zeigt das Funktionsprinzip, kein bestimmtes kommerzielles Gerät.