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Brennstoffzellennutzung in der Biogastechnik

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April 2008

Beschreibung

Beschreibung

Derzeit vollzieht sich ein grundlegender Wandel in der Energieversorgung. Da der Energiebedarf stetig steigt, die fossilen Ressourcen schwinden und der globale Klimaschutz eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erfordert, sieht sich die deutsche Stromwirtschaft vor einer Umstrukturierung der Energieversorgung. Um Versorgungssicherheit, günstige Preise und Klimaschutz auf einen Nenner zu bringen, muss der Energiemix der Zukunft mit effizienten Technologien und einem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien sichergestellt werden. Einen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leistet die Biogastechnologie, welche immer mehr an Bedeutung gewinnt und noch ein enormes Potential birgt: Derzeit werden in Deutschland ca. 2.700 Biogasanlagen betrieben; allein mit Abfällen aus der Landwirtschaft könnten über 200.000 Anlagen realisiert werden. Biogas wird bislang überwiegend in Verbrennungsmotoren verwertet, welche einen Generator zur Stromerzeugung antreiben. Neben dieser konventionellen Technologie gibt es weitere Nutzungsmöglichkeiten sowie innovative Methoden der Biogasverwertung. Eine davon ist die Implementierung einer Brennstoffzelle, die ihren Nutzen daraus bezieht, dass im Methanmolekül Wasserstoff enthalten ist, den die Brennstoffzelle als Kraftstoff benötigt.Im vorliegenden Buch wird vorgestellt, welche Arten von Brennstoffzellen für den Betrieb mit Biogasen geeignet sind, und es wird untersucht, welche Wirkungs- und Emissionsgrade erzielt werden können.

Inhaltsverzeichnis

1;Inhaltsverzeichnis;8 2;1 Einleitung;12 2.1;1.1 Problemstellung;12 2.2;1.2 Zielsetzung;13 3;2 Darstellung der Biogastechnologie;16 3.1;2.1 Grundlagen;16 3.2;2.2 Biogasentstehung;17 3.3;2.3 Biogasqualität nach Vergärung;19 3.4;2.4 Störstoffe im Biogas;21 3.4.1;2.4.1 Schwefelwasserstoff;21 3.4.2;2.4.2 Wasserdampf;21 3.4.3;2.4.3 Ammoniak;22 3.4.4;2.4.4 Kohlenmonoxid und -dioxid;22 3.4.5;2.4.5 Carbonyl-Sulfid;22 3.4.6;2.4.6 Siloxane;23 3.4.7;2.4.7 Chlor und Fluor;23 3.4.8;2.4.8 Staubpartikel;24 3.5;2.5 Betriebsparameter der Beispielanlage;24 4;3 Nutzung der Brennstoffzelle in der Biogastechnik;26 4.1;3.1 Allgemeine Einführung und Funktion der Brennstoffzelle;26 4.2;3.2 Darstellung der MCFC-Technologie;28 4.2.1;3.2.1 Beschreibung der MCFC;28 4.2.2;3.2.2 Aufbau der Direktbrennstoffzelle;30 4.2.3;3.2.3 Funktionsweise der MCFC;31 4.3;3.3 Darstellung der SOFC-Technologie;33 4.3.1;3.3.1 Beschreibung der SOFC;33 4.3.2;3.3.2 Betrachtung verschiedener Zellenkonzepte;34 4.3.3;3.3.3 Funktionsweise der SOFC;36 4.4;3.4 Anforderungen der Brennstoffzelle an die Gasqualität;37 4.5;3.5 Vergleich der Brennstoffzelle zu konventionellen BHKWs;38 4.5.1;3.5.1 Investitionskosten;38 4.5.2;3.5.2 Wirkungsgrad;39 4.5.3;3.5.3 Lebensdauer;40 4.5.4;3.5.4 Emissionen;41 5;4 Methoden der Biogasaufbereitung;44 5.1;4.1 Trocknung;44 5.2;4.2 Feststoffabscheidung;47 5.3;4.3 Entschwefelung;48 5.3.1;4.3.1 Biologische Entschwefelung;48 5.3.2;4.3.2 Laugenwäsche;54 5.3.3;4.3.3 Sulfidfällung;56 5.3.4;4.3.4 Entschwefelung mit Eisenchelat;57 5.3.5;4.3.5 Adsorption an eisenhaltigen Massen;59 5.3.6;4.3.6 Schwefelwasserstoffentfernung mit Zinkoxid;63 5.3.7;4.3.7 Adsorption an Aktivkohle;64 5.4;4.4 Ammoniakentfernung;66 5.5;4.5 Siloxanentfernung;67 5.6;4.6 AOX-Entfernung;70 5.7;4.7 Biogasaufbereitung bei der Vergärungsanlage in Leonberg;71 6;5 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung;74 6.1;5.1 Bewertung der Aufbereitungstechniken;74 6.1.1;5.1.1 Bewertung der Trocknungsverfahren;74 6.1.2;5.1.2 Bewertung der Verfahren zur Festst
offabscheidung;75 6.1.3;5.1.3 Bewertung der Entschwefelungsverfahren;75 6.1.4;5.1.4 Bewertung der Verfahren zur Siloxanabscheidung;79 6.1.5;5.1.5 Bewertung der Verfahren zur Ammoniak- bzw. AOX-Entfernung;80 6.2;5.2 Auswahl eines geeigneten Verfahrens anhand der Beispielanlage;80 7;6 Diskussion;88 8;7 Zusammenfassung;94 9;8 Quellenverzeichnis;96 10;9 Sonstige Verzeichnisse;102 10.1;9.1 Abkürzungen;102 10.2;9.2 Abbildungen;105 10.3;9.3 Tabellen;106 10.4;9.4 Gleichungen;106 11;Der Autor;109 12;Reihe Nachhaltigkeit;111


Portrait

Lars PingelStudium des Wirtschaftsingenieurwesens an der HAWK Göttingen, Abschluss als Diplom-Wirtschaftsingenieur. Aufbaustudium -Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien- (Master-Studiengang).

Leseprobe

Kapitel 3.2.1, Beschreibung der MCFC

Brennstoffzellen, bei denen der Elektrolyt aus einer dünnen Flüssigkeitsschicht von Karbonaten besteht, werden in der englischen Fachsprache als Molten Carbonate Fuel Cell bezeichnet und tragen die Abkürzung „MCFC“. Der Elektrolyt setzt sich aus schmelzflüssigen Alkalikarbonaten zusammen, welche in einer keramischen Matrix aus Lithiumaluminat (LiAIO2) fixiert werden. Im Elektrolyten sind in der Regel Lithiumkarbonat (LiCO2) zu 62 % und Kaliumkarbonat (K2CO3) zu 38 % enthalten.

Aufgrund ihrer günstigen Voraussetzungen ist die MCFC besonders für die stationäre Stromerzeugung bzw. gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung geeignet. Betrieben wird dieser Typ von Brennstoffzelle bei einer Temperatur von etwa 650 °C, welche immer noch ausreichend ist die elektrochemischen Umsetzungsprozesse an den Elektroden auch ohne die Anwesenheit von kostspieligen Edelmetallkatalysatoren ablaufen zu lassen. Stattdessen wird hierfür auf Nickel zurückgegriffen um die Brennstoffzellenreaktion in Gang zu bringen. Ein großer Vorteil bei den Hochtemperatur-BZ besteht darin, dass herkömmliche Brenngase, wie z.B. Biogas, mit der Abwärme der Brennstoffzelle reformiert werden können. Das heißt, dass bei dieser Reaktion die enthaltenden Kohlenwasserstoffe des Biogases mittels der hohen Prozesstemperatur und der Anwesenheit eines Katalysators unter Zusatz von Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden. Der Reformiervorgang ist somit endotherm, d.h. es wird von außen Wärmeenergie benötigt. Aufgrund dieser Charakteristika wird durch das interne Reformieren sowohl die Brennstoffzellensystematik stark vereinfacht als auch der Wirkungsgrad signifikant erhöht. Eine solche Karbonat-Brennstoffzelle bezeichnet man als Direkt-Brennstoffzelle (DBZ). Bei Niedertemperatur-BZ läuf
t der Reformiervorgang in einem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformer ab, der extra mit Brenngas beheizt werden muss.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die entstehende Abwärme, welche noch etwa zwischen 400 °C und 450 °C liegt, in unterschiedlichster Form genutzt werden kann. Beispielsweise lässt sie sich nicht nur in industriellen Verfahren aller Art (z.B. Prozessdampf) nutzbringend verwenden, man kann sie auch in nachgeschalteten Turbinenaggregaten zur weiteren Stromerzeugung einsetzten. Dadurch kann ein elektrischer Wirkungsgrad von mehr als 65 % und ein Gesamtwirkungsgrad (thermisch und elektrisch) von 85 % erreicht werden. Die Möglichkeit der nachgeschalteten Turbinenaggregate kommt insbesondere für größere Anlagen (oberhalb von 10 MW) in Betracht. Darüber hinaus können aber auch noch Wärmeverbraucher mit hohen Temperaturanforderungen von der hohen Nutzwärmetemperatur Gebrauch machen. Geeignete Anwendungen wären z.B. Absorbtionskälteanlagen sowie Anlagen zur Druckheiß-wassererzeugung, Trocknung und Sterilisation. Hinsichtlich der Materialien ist die Arbeitstemperatur der MCFC aber noch niedrig genug, sodass gängige metallische Werkstoffe für die Konstruktion der Brennstoffzelle sowie deren Peripherie verwendet werden können. Dies ist des Weiteren vorteilig zu bewerten, da die Brennstoffzelle aufgrund dessen kostengünstiger gefertigt werden kann.

Kapitel 3.2.2, Aufbau der Direktbrennstoffzelle

Im Prinzip gleicht der Aufbau eines DBZ-Zellblocks dem anderer Brennstoffzellentypen. Die einzelne Zelle ist wie ein flaches Sandwich aufgebaut. Die beiden Elektroden bestehen aus porösem Nickel und umschließen eine mit dem Karbonat-Elektrolyten gefüllte Trägerfolie (Matrix). Die Gaskanäle werden durch wellblechartig strukturierte Stromsammler gebildet. Mittels einer Bipolarplatte werden die aufeinander folgende
n Zellen separiert. Die Fläche der Zellen beträgt in etwa 0,8 m². Etwa 300 Zellen, wobei die einzelne eine elektrische Leistung von ca. 1 kW hat, werden übereinander gestapelt und dadurch elektrisch in Serie geschaltet. Die Zellen werden durch die Endplatten zusammengehalten, wobei diese wiederum mit Zugankern verbunden sind. Durch eine entsprechende Vorspannung bewirken diese einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Einzelzellen. An den vier Seiten des Zellblocks sind die Gashauben (Gasverteiler und -sammler) angebracht. Das Brenngas und die Kathodenluft fließen im Kreuzstrom durch den Zellblock. Die beschriebene und in Abb. 3.4 dargestellte Art der Gaszuführungen und -abführungen wird als „externes Manifolding“ bezeichnet. Schließlich wird an den Endplatten des Zellblocks der Gleichstrom abgenommen, über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und den Verbrauchern zugeleitet. Aus dem Kathodenstrom der MCFC wird die Überschusswärme entnommen und kann aus dem Prozess nach Nutzung zur Brenngasvorwärmung und -befeuchtung mittels eines Wärmetauschers als Nutzwärme auf einem Temperaturniveau von 550 °C bis zu 600°C ausgekoppelt werden.Kapitel 3.2.3, Funktionsweise der MCFC

Das Arbeitsprinzip der MCFC beruht wie bei allen anderen Brennstoffzellentypen auch, auf der indirekten Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser durch einen ionenleitenden Elektrolyten. Ferner kommt bei der Karbonat-Brennstoffzelle hinzu, dass neben den oben genannten Reaktanden auch Kohlendioxid an der Reaktion teilnimmt bzw. diese erst ermöglicht.

Bevor überhaupt an der Anode eine Reaktion stattfinden kann, muss zunächst der Wasserstoff, welcher bei der Reaktion als Brennstoff fungiert, aus dem Kohlenwasserstoffmolekül heraus gespalten (reformiert) werden.

Wie bereits oben angeführt kann diese Reformierung unter hohen Te
mperaturen und unter Anwesenheit eines Katalysators im Inneren der Brennstoffzelle erfolgen. Hierbei reagieren die Kohlenwasserstoffe in einer endothermen Reaktion, welche auch als „Steam Reforming“ bezeichnet wird, mit Wasserdampf und bilden Kohlendioxid und Wasserstoff:

Gleichung 3.2 Reformierreaktion CH4 + 2H2 O + therm.Energie ¾¾®CO2 + 4H2

Auf der Anodenseite, am negativen Pol der MCFC reduziert der Wasserstoff das Karbonat-Ion CO3 zu CO2 unter Bildung von Wasser und setzt dabei zwei Elektronen frei:

Gleichung 3.3 Anodenreaktion

H2 + CO3- ¾¾®H2 O + CO2 + 2e-.Das an der Anode entstandene Kohlendioxid wandert daraufhin zur Kathode und reagiert dort mit dem Luftsauerstoff. Dadurch werden auf der Kathodenseite unter Bildung von zwei Elektronen kontinuierlich neue CO3-Ionen produziert:

Gleichung 3.4 Kathodenreaktion:

0,5 O2 + CO2 + 2e- ¾¾®CO3-.

Die negativ geladenen Karbonat-Ionen wandern anschließend durch den Elektrolyten zur Anode, also genau umgekehrt wie bei anderen Brennstoffzellen. Bei der Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) streben die Ionen beispielsweise von der Anode zur Kathode. Anschließend reagieren an der Anode der MCFC die Karbonat-Ionen mit jeweils zwei Wasserstoff-Ionen zu Kohlensäure (H2CO3), wobei diese wieder in Wasser und Kohlendioxid zerfällt. Damit der Karbonat-Kreislauf erhalten bleibt, muss das entstandene Kohlendioxid dem Luftstrom zur Kathode beigemischt werden. Wegen des Verbrauchs von freien Elektronen besteht an der Kathode Elektronenmangel, sodass die Elektronen von der Anode zur Kathode fließen und den Kreislauf schließen...


EAN: 9783836655460
Untertitel: Eine technische und ökonomische Analyse. Dateigröße in MByte: 2.
Verlag: Diplomica Verlag
Erscheinungsdatum: April 2008
Seitenanzahl: 108 Seiten
Format: pdf eBook
Kopierschutz: Wasserzeichen
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