NIP Stationäre Energieversorgung

Das NIP hat zum Ziel, den hohen Standard, der bisher in Deutschland erarbeitet wurde, weiter zu entwickeln und zusätzlich die entscheidenden Impulse zu geben, um die nächste Entwicklungsphase – die Marktvorbereitung - anzustoßen. Nach der Niedertemperatur- und Brennwerttechnologie wird die Kraft-Wärme-Kopplung durch Brennstoffzellen den nächsten Technologiesprung im Bereich der Hausenergieversorgung darstellen. In breit angelegten Demonstrationsprojekten (Leuchtturm-Projekte) wird die Technologie auf ihre Alltagstauglichkeit überprüft. Hierfür sollen Brennstoffzellenheizgeräte in Zusammenarbeit zwischen den Herstellern und Energieversorgungsunternehmen bei Pilotkunden in Wohngebäuden und Gewerbebetrieben installiert werden. Die im Vergleich mit Einzeltestanlagen deutlich höhere Anzahl der Geräte soll den Herstellern ermöglichen, die nächste Stufe der Produktionsverfahren zu entwickeln und zu erproben, um die Grundlage für die spätere Serienfertigung zu legen. Projektergebnisse sollen einer breiten interessierten Öffentlichkeit bekannt gemacht werden. Der Ablauf wird in zwei zeitlichen Phasen sowie auf zwei Ebenen (FuE und Demonstration) stattfinden (siehe Grafik). Phase 1 dient der Entwicklung von Materialien, Komponenten und Systemen, die in der begleitenden Demonstration erprobt werden. Erkenntnisse aus Phase 1 fließen ein in die FuE-Arbeiten der Phase 2, innerhalb der über 2000 Hausenergie-Anlagen im Praxiseinsatz stehen.

Bei der Methanreformierung sollen neue, langzeitstabile Komponenten entwickelt werden. Die Integration der Gasaufbereitung in das Gesamtsystem soll zu kompakten und preiswerten Lösungen führen. Längerfristig sind Reformer für weitere Brennstoffe wie Flüssiggas und schwefelfreies Heizöl geplant. Als Meilensteine der Entwicklung sollen die Wirkungsgrade und Standzeiten der Systeme über der Zeit betrachtet werden. Beim Brennstoffzellenstapel haben die Erhöhung der Lebensdauer (in der ersten Phase 10.000 h und in der zweiten Phase 25.000 h) und Zuverlässigkeit sowie die Weiterentwicklung der Produktionsprozesse für beide Zelltypen einen hohen Stellenwert. Bei der PEMFC-Entwicklung im Niedertemperaturbereich sind die Erhöhung der Stapel-Leistungsdichte, die Reduktion des Edelmetallgehalts und des Wasserumsatzes, die weitgehende Unabhängigkeit des Betriebs vom Wassernetz sowie die Erhöhung der CO- und der Schwefeltoleranz die wichtigsten technischen Ziele. Daneben eröffnet sich durch die CO-resistente Hochtemperaturmembran (120-200°C) eine viel versprechende Technologie u.a. mit Blick auf eine vereinfachte Gasaufbereitung und Wärmetauscher. Für SOFC-Zellen wird angestrebt, die Abhängigkeit der Leistungsdichte von der Betriebstemperatur zu verringern und gleichzeitig deren mechanische Festigkeit, Robustheit und Stabilität bezüglich Lastwechsel zu verbessern. Das Wärmemanagement des Brennstoffzellenstapels soll durch neue konstruktive Lösungen in Kombination mit dem Einsatz neuer Werkstoffe verbessert werden. Die Redoxstabilität (Zutritt kleiner Mengen an Sauerstoff zur Anodenseite der Zellen im heißen Betriebszustand) der Stapel und Stabilität gegenüber thermischen Wechselbelastungen sind eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung serientauglicher SOFC-Systeme kleiner Leistung. Zeitsparende Lebensdauertests und Simulationsverfahren sollen für die einzelnen Komponenten sowie die Systeme entwickelt werden. Auch die Weiterentwicklung der Produktionsprozesse und die Optimierung der Systemintegration von Brennstoffzellenheizgeräten ist ein wichtiges Ziel zur Kostenreduzierung.

Die Projekte bereiten die Marktpartner (Installateure, Planer, Architekten, Hochschulen und Endkunden) durch praktische Anwendung sowie durch Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen auf die breite Markteinführung der Brennstoffzellensysteme vor. Die Lieferkette soll durch höhere Stückzahlen in Gang gesetzt und für Zulieferer ein erster Markt geschaffen werden. Rückwirkend können somit Kosten gesenkt und die Investitionen für Endverbraucherpreise attraktiver werden. Auch die Auswirkungen dezentraler Energieerzeugungsanlagen auf elektrische Netze sollen festgestellt und virtuelle Kraftwerke erprobt werden. Darüber hinaus sollen die gewonnenen Ergebnisse zu zielgerichteten FuE-Arbeiten für die nächste Generation der Brennstoffzellensysteme führen und der Optimierung der Produkte zur vollen Marktfähigkeit dienen. Die Steigerung der Kundenakzeptanz sowie die Weiterentwicklung der rechtlichen Rahmenbedingungen und die praktische Verifizierung der CO2-Einsparpotenziale stellen weitere Ziele dar.

Der Schwerpunkt der Entwicklung der stationären Industrieanwendung liegt auf Demonstrations- und Leuchtturmprojekte in verschiedenen Anwendungsbereichen von der Informationstechnologie bis zur dezentralen Energieversorgung. In den Projekten sollen im großen Leistungsbereich der stationären Anwendung die technologischen Entwicklungen mit verschiedenen Brennstoffen demonstriert, weitere Kundenerfahrung mit Installation, Service und Wartung gesammelt und bewertet werden.

Die grundsätzliche Funktionalität der Brennstoffzellen in Industrieanwendungen konnte bereits in Demonstrationsanlagen unter Beweis gestellt werden. Weitere Entwicklungen und Erfahrungen sind jedoch notwendig, um das Ziel international wettbewerbsfähiger Anlagen für den weltweiten Energieversorgungsmarkt zu erreichen. Entwicklungsziele, wie z.B. die Zuverlässigkeit zu verbessern, die Komplexität der Systeme zu verringern und die Kosten zu senken, stehen hierbei im Vordergrund. Darüber hinaus sind FuE- und Demonstrationsaktivitäten eng aufeinander abzustimmen. Sie sollen von einem Markteinführungsprogramm ergänzt werden.

Die im Vergleich mit Einzeltestanlagen deutlich höhere Anlagenzahl soll den Herstellern ermöglichen, die nächste Stufe der Produktionsverfahren zu entwickeln und zu erproben, um die Grundlage für die spätere Serienfertigung zu legen.

Der Ablauf wird in zwei zeitlichen Phasen sowie auf zwei Ebenen (FuE und Demonstration)  stattfinden.

Phase 1 dient der Entwicklung von Materialien, Komponenten und Systemen, die in der begleitenden Demonstration von zahlreichen Anlagen mit einer installierten Leistung von über 50 MW erprobt werden. Erkenntnisse aus Phase 1 fließen ein in Phase 2, innerhalb der Produktionsverfahren und Kostensenkungsprogramme schwerpunktmäßig durchgeführt werden und zur Installation von über 620 MW führen.

Für die MCFC-Technologie umfassen die geplanten FuE-Aktivitäten die Zelloptimierung mit hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Beschichtungen, die Optimierung der Stapel-Mechanik, die Steigerung der Leistungsdichte, die Weiterentwicklung von Fertigungsverfahren und Produktionstechnik.

Das Anpassen der System- und Zelltechnik an biogene Brennstoffe erweitert den Einsatzbereich und ermöglicht erneuerbare Energien effizient einzusetzen. Zusätzlich verbessern Systemerweiterungen mit ORC- und Pyrolysegas-Anlagen, peripheren Stromapplikationen sowie innovative Wärmenutzungsperipherie die Einsatzmöglichkeiten und vergrößert somit das Marktpotenzial. Dabei soll der Leistungsbereich von derzeit 250 kWel (2007) auf über 1500 kWel pro System (2012) ausgeweitet werden.

Bei der tubularen SOFC-Technologie liegen die FuE-Schwerpunkte in der Systementwicklung, der Entwicklung neuer Zelltypen, der Leistungsdichtesteigerung, dem  Absenken der Betriebstemperatur auf ca. 650°C und in der Kopplung mit einer Gasturbine im Druckbetrieb. Der Betrieb mit Kohlegas und CO2-Abtrennung soll bis 2015 demonstrationsreif entwickelt werden. Leistungen zwischen 125 und 2000 kWel sind geplant.

Im Bereich planarer SOFC-Technologie soll bis 2010 ein 100-kW-System entwickelt werden und die Entwicklung von Modulen mit kompaktem Aufbau bei hoher Leistungsdichte und damit günstigen wirtschaftlichen Randbedingungen vorangetrieben werden.

Die Lieferkette soll durch höhere Stückzahlen in Gang gesetzt und für Zulieferer ein erster Markt geschaffen werden.  Darüber hinaus sollen die in der Praxis gewonnenen Ergebnisse zu zielgerichteten FuE-Arbeiten für die nächste Generation der Brennstoffzellensysteme führen und der Optimierung der Produkte zur vollen Marktfähigkeit dienen.

Betreiber und Hersteller sollen Erfahrungen mit mittleren Stückzahlen sammeln und dafür die entsprechenden Produktionsanlagen respektive –verfahren entwickeln und erproben.  Auch über Wettbewerbsgrenzen hinaus sollen das Anlagen- und Nutzerverhalten stochastisch analysiert, die Planung, Installation und Wartung durch Hersteller und spezialisierte Dienstleister erprobt, sowie Markthemmnisse für den kommerziellen Einsatz identifiziert und beseitigt werden.

Hierzu sind Projekte mit neuen Stapel- und Systementwicklungen, mit verschiedenen Brennstoffen, oder beispielsweise mit größeren Leistungen vorgesehen. Kombinationen mit innovativen Gasreinigungs- und Vergasungstechnologien sollen getestet werden, wobei die Förderung durch NIP-Mittel sich auf die brennstoffzellenspezifischen Projektanteile beschränken wird.

Meilensteine der Demonstrationsvorhaben in der MCFC- und SOFC-Technologie sind u.a. eine Anlagennutzungsdauer von 120.000 h (2015), eine Erhöhung der Stapel-Lebensdauer, ein Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades auf bis zu 90% (2015) sowie langfristig die Kopplung von Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit ORC-Anlagen, Gas- oder Dampfturbinen.

Die Steigerung der Kundenakzeptanz sowie die Weiterentwicklung der rechtlichen Rahmenbedingungen und die praktische Verifizierung der CO2-Einsparpotenziale stellen weitere Ziele dar.