Nickel magazine, Mar. 02 -- Toronto hat gute Aussichten, als eine der ersten Städte den Schritt in
ein neues Zeitalter der Stromerzeugung auf der Grundlage der Brennstoffzellentechnologie zu machen. Ein 250
kW-SOFC-Demonstrationskraftwerk, in dem mehr als 600 kg Nickel zum Einsatz kommen werden, soll im kanadischen
Toronto bis Juli 2002 in Betrieb gehen. Die von Siemens Westinghouse entwickelte Anlage wird auf dem Gelände
der Kinectrics Inc., einer Tochterfirma der Ontario Power Generation Inc. (OPG) entstehen. Die 18 Millionen
Dollar teure Anlage wird von Siemens-Westinghouse, OPG, dem Energieministerium der USA (D.O.E.) und der
kanadischen Regierung gemeinsam finanziert.
Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFCs) gehören zu den fünf Arten von Brennstoffzellen, in denen chemisch gesehen jeweils dieselben Prozesse - wenn auch auf unterschiedliche Art und Weise - ablaufen. Brennstoffzellen bringen Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch zusammen, um Elektrizität und - als Nebenprodukt - Wasser zu erzeugen. Im Gegensatz zu Batterien können Brennstoffzellen so lange Elektrizität erzeugen, wie ihnen Brennstoff zugeführt wird.
SOFC arbeiten bei Temperaturen von etwa 1.000°C und haben ihren Namen aufgrund der Tatsache erhalten, dass sie dichtes Zirkonoxid als festen Elektrolyten verwenden. Eine einzige SOFC besteht aus einem vertikalen Keramikrohr, das an der unteren Seite verschlossen ist und aus konzentrischen Lagen besteht: einer inneren Kathode, einer äußeren Anode und einem dazwischen befindlichen Elektrolyten. Für diese drei Schichten kommen die folgenden Werkstoffe zur Anwendung:
- eine gedopte Lanthan-Mangan-Oxid-Kathode (LaMnO3) an der Innenseite,
- ein Yttrium-stabilisierter Zirkonelektrolyt (YSZ) in der Mitte und
- ein Keramik-Metall-Verbundwerkstoff aus Nickel und YSZ, als Anode an der Außenseite der Röhre.
Die Zelle ist 1,7 Meter lang und weist einen Innendurchmesser von 2,2 Zentimetern auf. Die Luft wird durch ein konzentrisch zur Zelle angeordnetes Aluminiumrohr zugeführt und fließt zunächst zum geschlossenen unteren Ende der Zelle und dann zurück hinauf in den ringförmigen Raum zwischen den beiden Röhren (siehe Zeichnung). Der Luftsauerstoff wird ionisiert, während er über die innere kathodische Oberfläche der Zelle fließt, die Sauerstoffionen durchdringen die in der Mitte befindliche Elektrolytschicht und reagieren an der anodischen Außenseite der Zelle mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid, um Wasser, Kohlendioxid und Elektrizität zu erzeugen. Der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid entstehen aus "reformiertem" Erdgas, das der Anlage als Treibstoff zugeführt wird, und werden an der äußeren Oberfläche der Röhre entlang geleitet.
Eine einzelne SOFC erzeugt etwa 150 Watt bei ca. 0,65 Volt. Für ein Kraftwerk, das viele Kilowatt Strom erzeugen soll, müssen viele einzelne Zellen miteinander in Form einer Anordnung von Zellbündeln verbunden werden, wobei jedes Zellbündel 24 Einzelzellen umfasst. Für das 250-kW-Kraftwerk in Toronto besteht der gesamte Zell-Stack beispielsweise aus 2.300 Zellen, die in Form von 96 Bündeln angeordnet sind. Alle Zellen sind miteinander durch Nickel"gewebe" aus elektrolytischem Nickel verbunden. Der Stack wiederum ist mit dem Generatorausgang durch DC-Sammelschienenleiter aus a N02200 und außerdem mit elektrischen Kontaktplatten verbunden, die ebenso aus N02200 bestehen. Der gesamte Nickelverbrauch für den SOFC-Stack der Anlage in Toronto beläuft sich auf etwa 400 Kilogramm.
| Nickelverbrauch für einen 250kW-SOFC-Stack | ||
| Komponente | Werkstoff | Gewicht Ni (kg) |
| Ni-Zellanode | Nickelpulver | 115 |
| Elektrische Kontakte, Nickelgewebe | Elektrolytischer Ni | 213 |
| DC-Sammelschienenleiter | N02200 | 48 |
| Elektrische Kontakte, Platten | N02200 | 20 |
| Gesamtmenge Nickel im 250 kW-SOFC-Stack | 397 | |
| Nickelverbrauch für die Komponenten eines 250 kW-SOFC-Stack | ||
| Rückführungsschleife | N06600 | 88 |
| Stack-Auskleidung | N06230 | 19 |
| Brennstoffleitungen | N06230 | 22 |
| Brennstoffleitungen | N06600 | 85 |
| Gesamtnickelverbrauch für die Komponenten des 250 kW-SOFC-Stack | 214 | |
| Gesamtnickelverbrauch für die 250 kW-SOFC-Versorgungseinheit | 611 | |
Darüber hinaus wird auch für verschiedene direkt mit dem Stack in Verbindung stehende Komponenten Nickel in Form der Legierungen N06600 oder N06230 verwendet. Dazu zählen die vor dem Reformer angeordnete Rückführungsschleife, die Auskleidung des Stacks, die Trennfolien im Inneren und die Brennstoffleitungen. Auf diese Komponenten gemeinsam entfallen weitere 214 Kilogramm Nickel, die für das Brennstoffzellenmodul benötigt werden.
Das Energieerzeugungsmodul aus Brennstoffzellen ist nur ein Teil des vollständigen, betriebsfähigen Kraftwerks. Der Rest der Anlage umfasst mehrere weitere wesentliche Komponenten wie die Brennstoffprozessoren, Kompressoren, Wärmeaustauscher und Power Conditioner, für die ebenfalls Nickel in Form von Edelstahl Rostfrei und anderen Legierungen zum Einsatz gelangt.
Wenn sich die beschriebene Auslegung als erfolgreich erweist, wird man für SOFC-Kraftwerke etwa 3 Kilogramm Nickel pro Kilowatt erzeugten Stroms benötigen. Da man davon ausgeht, dass der Markt für SOFC-Kraftwerke bis 2010 auf 240 Megawatt pro Jahr steigen wird, entspricht dies einem Bedarf von etwa 750 Tonnen Nickel pro Jahr während der nächsten zehn Jahre.
Brennstoffzellen haben wesentliche Vorteile gegenüber anderen Elektrizitätserzeugungsverfahren, da sie keine Lärm- oder Geruchsbelästigung verursachen, die Umwelt relativ wenig belasten und eine um ein Vielfaches höhere Energieeffizienz aufweisen. Die Umwandlung fossiler Brennstoffe in elektrische Energie ist mit einer Effizienz von bis zu 60% möglich, und wenn man das von den Brennstoffzellen erzeugte Nebenprodukt Wärme ebenfalls in Form von Heißwasser oder Dampf nutzt, lässt sich die Energieeffizienz auf 80% oder mehr steigern.
SOFC stellen eine relativ neue Art von Brennstoffzellen dar. Da Brennstoffzellen bisher üblicherweise noch
nicht kommerziell zum Einsatz gelangen, sind die Kosten für die Herstellung für Prototypen oder
Piloteinrichtungen immer noch relativ hoch, werden sich aber auf ein wettbewerbsfähigeres Niveau senken,
sobald eine automatisierte Herstellung größerer Produktionsmengen anläuft.
Von Dr. Gerald Crawford, Konsulent des Nickel Development Institute in Toronto.
Photo: TOM SKUDRA/NiDI
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Peter J. Schürmann, Vice President |
