Biogas, selbst wenn es gereinigt ist, eignet sich nicht für alle Brennstoffzellen. Es enthält zum Beispiel immer noch Kohlenmonoxid: Gift für Brennstoffzellen, wie sie beispielsweise in Autos verwendet werden sollen. Um diese Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Gemisch zu verstromen, kommt eigentlich nur die Hochtemperatur- oder SOFC-Brennstoffzelle infrage. Diese läuft bei Temperaturen bis zu 1000 Grad Celsius und kann dabei aus Methan oder Wasserstoff Energie gewinnen. Der Haken dabei ist jedoch:
"Üblicherweise ist die Wärmequelle viel zu groß. Da wird viel mehr Wärme frei als das, was ich benötige","
erklärt Peter Heidebrecht vom Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg. Dessen Wissenschaftler hatten daher eine Idee: Sie wollen die Abwärme der Hochtemperaturbrennstoffzelle nutzen, um mithilfe des Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Gemischs reinen Wasserstoff zu gewinnen. Der könnte dann in den empfindlichen Niedertemperatur- oder PEM-Brennstoffzellen verstromt werden.
Peter Heidebrecht steuert in seinem Labor auf eine Reihe mannshoher Metallschränke mit Glastüren zu, öffnet eine, und deutet auf einen hohen, blitzblanken Zylinder.
""Das ist also ein recht mächtiger Ofen, eigentlich. Sie sehen, das ist alles Isolation, bis hier hin, das ist immer noch Isolation, und da drinnen befindet sich ein Ofen mit einem Durchmesser von zehn, zwölf Zentimetern und darin noch mal ein Stahlrohr mit zwei Zentimetern Durchmesser. Und dieses Stahlrohr von 70 Zentimetern Länge und zwei Zentimetern Innendurchmesser, das ist der eigentlich Reaktor, in dem das ganze Geschehen abläuft."
Mit "das Geschehen" bezeichnet der Magdeburger Forscher die Aufbereitung von hochreinem Wasserstoff. Zu diesem Zweck ist das Stahlrohr mit eigens angefertigten Eisenoxidklümpchen gefüllt. Von oben strömt eine Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Mischung in das Rohr, genau jene Mischung, die nach einer Reinigung von Biogas übrig bleibt.
"Diese Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff schicken wir also durch diesen Rohrreaktor hindurch, dann wird das Eisenoxidfestbett reduziert, möglicherweise bis hin zum Eisen, können aber auch noch Vorstufen davon sein."
Dann folgt der zweite Schritt: Das Biogasgemisch wird gestoppt und die Forscher leiten in umgekehrter Richtung Wasserdampf durch die Röhre.
"Und der Wasserdampf oxidiert wiederum das Eisen, verliert dabei seinen Sauerstoff und wird zum Wasserstoff und tritt dann am Ende dieses Reaktors als sauberer Wasserstoff aus ohne Beimischungen von Kohlenmonoxid."
Dieser Wasserstoff ist so sauber, dass er ohne Probleme in einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle verstromt werden kann.
Neben der guten Ausnutzung der Hitze bietet diese Kombination der beiden Brennstoffzellen noch einen zweiten Vorteil: Gemeinsam lassen sie sich an den Bedarf des Stromnetzes anpassen. Denn die beiden Zellen haben vollkommen unterschiedliche Eigenschaften.
"Die SOFC, die wird bevorzugt als Grundlastkraftwerk betrieben, das heißt, sie wollen die eigentlich weitestgehend konstant betreiben. Sie machen vielleicht alle paar Tage damit einen Lastwechsel, aber jeder Lastwechsel reduziert die Lebensdauer."
Kühlt zudem die Brennstoffzelle ab, weil ihre Leistung herunter gefahren wurde, dauerte es einige Zeit, bis sie wieder volle Temperatur und Energie erreicht. Peter Heidebrecht:
"Und diese Niedertemperatur-PEM Brennstoffzelle, die ist sehr viel dynamischer. Die können sie an den aktuellen Strombedarf sehr flexibel anpassen, die können sie innerhalb von Minuten rauf- oder runterfahren."
Und beides zusammen ist ideal für einen Einsatz am Stromnetz mit wechselndem Bedarf: Während die Hochtemperatur-Brennstoffzelle rund um die Uhr läuft, Strom und - indirekt - sauberen Wasserstoff erzeugt, wird die Niedertemperatur-Brennstoffzelle immer dann eingeschaltet, wenn der Bedarf steigt.
"Üblicherweise ist die Wärmequelle viel zu groß. Da wird viel mehr Wärme frei als das, was ich benötige","
erklärt Peter Heidebrecht vom Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg. Dessen Wissenschaftler hatten daher eine Idee: Sie wollen die Abwärme der Hochtemperaturbrennstoffzelle nutzen, um mithilfe des Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Gemischs reinen Wasserstoff zu gewinnen. Der könnte dann in den empfindlichen Niedertemperatur- oder PEM-Brennstoffzellen verstromt werden.
Peter Heidebrecht steuert in seinem Labor auf eine Reihe mannshoher Metallschränke mit Glastüren zu, öffnet eine, und deutet auf einen hohen, blitzblanken Zylinder.
""Das ist also ein recht mächtiger Ofen, eigentlich. Sie sehen, das ist alles Isolation, bis hier hin, das ist immer noch Isolation, und da drinnen befindet sich ein Ofen mit einem Durchmesser von zehn, zwölf Zentimetern und darin noch mal ein Stahlrohr mit zwei Zentimetern Durchmesser. Und dieses Stahlrohr von 70 Zentimetern Länge und zwei Zentimetern Innendurchmesser, das ist der eigentlich Reaktor, in dem das ganze Geschehen abläuft."
Mit "das Geschehen" bezeichnet der Magdeburger Forscher die Aufbereitung von hochreinem Wasserstoff. Zu diesem Zweck ist das Stahlrohr mit eigens angefertigten Eisenoxidklümpchen gefüllt. Von oben strömt eine Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Mischung in das Rohr, genau jene Mischung, die nach einer Reinigung von Biogas übrig bleibt.
"Diese Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff schicken wir also durch diesen Rohrreaktor hindurch, dann wird das Eisenoxidfestbett reduziert, möglicherweise bis hin zum Eisen, können aber auch noch Vorstufen davon sein."
Dann folgt der zweite Schritt: Das Biogasgemisch wird gestoppt und die Forscher leiten in umgekehrter Richtung Wasserdampf durch die Röhre.
"Und der Wasserdampf oxidiert wiederum das Eisen, verliert dabei seinen Sauerstoff und wird zum Wasserstoff und tritt dann am Ende dieses Reaktors als sauberer Wasserstoff aus ohne Beimischungen von Kohlenmonoxid."
Dieser Wasserstoff ist so sauber, dass er ohne Probleme in einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle verstromt werden kann.
Neben der guten Ausnutzung der Hitze bietet diese Kombination der beiden Brennstoffzellen noch einen zweiten Vorteil: Gemeinsam lassen sie sich an den Bedarf des Stromnetzes anpassen. Denn die beiden Zellen haben vollkommen unterschiedliche Eigenschaften.
"Die SOFC, die wird bevorzugt als Grundlastkraftwerk betrieben, das heißt, sie wollen die eigentlich weitestgehend konstant betreiben. Sie machen vielleicht alle paar Tage damit einen Lastwechsel, aber jeder Lastwechsel reduziert die Lebensdauer."
Kühlt zudem die Brennstoffzelle ab, weil ihre Leistung herunter gefahren wurde, dauerte es einige Zeit, bis sie wieder volle Temperatur und Energie erreicht. Peter Heidebrecht:
"Und diese Niedertemperatur-PEM Brennstoffzelle, die ist sehr viel dynamischer. Die können sie an den aktuellen Strombedarf sehr flexibel anpassen, die können sie innerhalb von Minuten rauf- oder runterfahren."
Und beides zusammen ist ideal für einen Einsatz am Stromnetz mit wechselndem Bedarf: Während die Hochtemperatur-Brennstoffzelle rund um die Uhr läuft, Strom und - indirekt - sauberen Wasserstoff erzeugt, wird die Niedertemperatur-Brennstoffzelle immer dann eingeschaltet, wenn der Bedarf steigt.