Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen optimieren Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis erneuerbarer Energien

Im Mittelpunkt des Projekts steht das von HEE entwickelte stationäre Kraft-Wärme-Kopplungs-Brennstoffzellensystem (KWK), das Wasserstoffgas als Energiequelle nutzt. Zu den entscheidenden Komponenten gehören Plattenwärmetauscher von Alfa Laval: Der fusionsgebundene Plattenwärmetauscher AlfaNova wird zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks eingesetzt und ein Gas-Flüssigkeits-Plattenwärmetauscher zur Rückgewinnung der entstehenden Abwärme. Das bereits getestete und verifizierte System setzt nur Wasserdampf sowie Luft frei und leistet somit einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft.

Beschleunigung der Wasserstoffwirtschaft

Seit der Unternehmensgründung 2018 entwickelt, validiert und implementiert HEE sichere, wirtschaftliche sowie nachhaltige Energielösungen auf der Basis von Wasserstoff und trägt so zu einer sauberen Energiezukunft bei. Stephan Duch, Geschäftsführer von HEE, erläutert: „Der schnelle Übergang zu erneuerbaren Energiesystemen ist dringend notwendig. Wasserstoff wird eine entscheidende Rolle dabei spielen, die Abhängigkeit der Welt von fossilen Brennstoffen zu verringern und Netto-Null-Emissionen zu erreichen.“

Die Beschaffung einiger wichtiger Komponenten des KWK-Brennstoffzellensystems erwies sich zunächst als Herausforderung für HEE. Doch mit seinen Gas-Flüssigkeits-Wärmetauschern und den fusionsgebundenen Plattenwärmetauschern AlfaNova aus 100 Prozent korrosionsbeständigem 316er Edelstahl hatte Alfa Laval die ideale Lösung für die Wärmerückgewinnung und Stackkühlung.

Wir wussten, dass Alfa Laval über großes technisches Know-how, leistungsstarke Plattenwärmetauscher-Technologien und die Fähigkeit, die Produktion im kommerziellen Maßstab hochzufahren, verfügt. Darüber hinaus teilen wir die Vision, den Übergang zu erneuerbaren Energien zu beschleunigen."

Julius Jelden-Thurm, Co-Chief Technical Officer bei HEE, bekräftigt.

Der Bauraum war ein entscheidender Parameter für das KWK-System von HEE, dessen Brennstoffzellendesign aus ähnlichen Systemen in der Automobilindustrie adaptiert wurde. Der Gas-Flüssigkeits-Plattenwärmetauscher überzeugte als Abwärmerückgewinnungseinheit mit seiner ultrakompakten Bauweise, hohem Wirkungsgrad, außergewöhnlicher Leistung und hervorragender Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdung. Das Gleiche gilt für den Edelstahlplattenwärmetauscher AlfaNova, der den Stack kühlt und für die notwendige Prozessreinheit sorgt.

Schematische Darstellung eines generischen Wasserstoff-Brennstoffzellensystems

Wasserstoff strömt in die Zelle und erzeugt Strom. Der Alfa Laval Plattenwärmeübertrager kühlt den Abgasstrom; der Alfa Laval Gas-Flüssig-Plattenwärmeübertrager gewinnt die Wärme aus der warmen Abgas zur Wiederverwendung zurück. Es werden nur Wasserdampf und Luft freigesetzt.

Wirtschaftliche Lösung mit hoher Leistung

Geringer Platzbedarf, lange Verwendungsdauer und hohe thermische Effizienz waren die Hauptkriterien bei der Auswahl der Plattenwärmetauscher. Zudem überzeugte das Preis-Leistungs-Verhältnis: „Unsere Analyse ergab, dass wir eine gute Leistung bei 20 Prozent geringeren Kosten als mit vergleichbaren Apparaten anderer Hersteller erzielen“, sagt Jelden-Thurm. „Außerdem verfügen beide Plattenwärmetauscher über einzigartige Konstruktionsmerkmale, die sich als grundlegend für den Erfolg unserer stationären KWK-Brennstoffzellensysteme erwiesen haben.“

Optimale Wahl für wasserstoffbetriebene KWK-Anlagen

Die kompakten, robusten Gas-Flüssigkeits-Plattenwärmetauscher von Alfa Laval minimieren den Platzbedarf und die damit verbundenen Installationskosten für das KWK-Brennstoffzellensystem. Die Apparate verfügen über asymmetrische Kanäle mit Dimple Prägemuster auf der Gasseite und ermöglichen einen großen Gasstrom sowie eine hohe Wärmeübertragungseffizienz. Das Lötmaterial hält die Platten an den Kontaktpunkten sicher zusammen und sorgt für eine weitere Optimierung der Wärmeübertragungseffizienz und Druckbeständigkeit. Die Stellfläche des Gas-Flüssigkeits-Plattenwärmetauschers ist 75 Prozent kleiner als die vergleichbarer Rohrbündelwärmetauscher und deutlich kleiner als die anderer Plattenwärmetauscher, die HEE zunächst in Betracht gezogen hatte.

Die Kühlung des Brennstoffzellenstacks ist für einen sicheren, zuverlässigen und effizienten Betrieb von größter Bedeutung. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Reinheit des Prozesses: Der Alfa Laval AlfaNova Stackkühler minimiert die Ionenauswaschung und die daraus resultierende Korrosion sowie Verschlechterung des Elektrolyts.

„Der fusionsgebundene Plattenwärmetauscher war die optimale Wahl für die Kühlung des Stacks“, resümiert Jelden-Thurm. „AlfaNova sorgt für eine niedrige Leitfähigkeit des hochreinen Wassers, das als Kühlflüssigkeit verwendet wird – ein Muss für unser Brennstoffzellensystem.“

Die patentierte Fügetechnik AlfaFusion von Alfa Laval ermöglicht eine hohe mechanische Festigkeit und effiziente Wärmeübertragung, auch bei geringer Temperaturannäherung zwischen den beiden Medien, was zusätzlich die Energiekosten reduziert. Zudem ist AlfaNova nach Verwendungsende vollständig recycelbar.

Vorbereitung der Serienproduktion

Die Validierung des HEE-Wasserstoffbrennstoffzellen-Pilotsystems ebnete den Weg für den Start der Vorserienproduktion durch ein Joint Venture mit der Stadt Guiyang und lokalen sowie regionalen Industriepartnern. Derzeit wird eine Produktionsanlage für die KWK-Brennstoffzellensysteme errichtet. Zudem hat HEE Alfa Laval mit der Lieferung weiterer Plattenwärmetauscher beauftragt, die an die Produktionsstätte in Guiyang geliefert werden. Der Start der Serienproduktion soll in den kommenden zwei Jahren erfolgen. Ziel ist, die Brennstoffzellensysteme als Teil der erneuerbaren Energielösungen in Guiyang an das Fernwärmenetz der Stadt anzuschließen.

„Zurzeit verwendet das Joint Venture Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen reformiert wird. Das Joint Venture plant, auf Wasserstoff aus der Vergasung von kommunalem Klärschlamm und der Wasserelektrolyse mit Ökostrom umzusteigen, sobald die Infrastruktur vorhanden ist“, sagt Jelden-Thurm. „Unsere Brennstoffzellensysteme selbst verursachen keine lokalen Emissionen, da es sich um ein geschlossenes System handelt, das nur Wasserdampf und Luft freisetzt.“

Gesamtwirkungsgrad von bis zu 105 Prozent

Laut der U.S. Environmental Protection Agency erreichen die meisten KWK-Systeme, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, einen Gesamtwirkungsgrad von 65 – 80 Prozent. HEE schätzt, dass seine Wasserstoffbrennstoffzelle einen maximalen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 55 Prozent hat – wobei der Gesamtwirkungsgrad jedoch deutlich höher liegt. Jelden-Thurm führt aus: „Unser KWK-Brennstoffzellensystem kann nach herkömmlichen Berechnungsmethoden einen Gesamtwirkungsgrad von 105 Prozent erreichen, wenn man den zusätzlichen Wirkungsgrad von 30 – 40 Prozent durch die thermische Energie und 15 Prozent aus der Abgaswärmerückgewinnung mit Kondensation berücksichtigt. Die Plattenwärmetauscher von Alfa Laval ermöglichen somit eine entscheidende Steigerung der Gesamteffizienz unseres Systems.“ Die Berechnungen beziehen sich auf die KWK-Anlagen der Vorserie und müssen langfristig verifiziert werden. Die tatsächliche elektrische und thermische Leistung kann je nach Anwendung variieren.

Die tatsächliche elektrische und thermische Leistung kann je nach Anwendung variieren.

Partnerschaft für eine saubere Energiezukunft

Angesichts des bisherigen Erfolgs in Guiyang blickt HEE optimistisch in die Zukunft. Auch andere lokale und regionalen Behörden in ganz China haben die Fortschritte mit Interesse verfolgt.

HEE-Geschäftsführer Stephan Duch ist zuversichtlich: „Wir erwarten eine aktive Zusammenarbeit in weiteren Joint Ventures in China und planen, das Geschäftsmodell von Guiyang auch andernorts zu übernehmen. Wir freuen uns auch darauf, Deutschland bei seinen Bemühungen zu unterstützen, die Energieautarkie durch erneuerbare Energien zu erreichen und sich von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu lösen.“

 „Die Abwärmerückgewinnungsanlage und der Stackkühler von Alfa Laval sind wichtige Komponenten in unserem stationären KWK-Brennstoffzellensystem und grundlegend für unseren Erfolg." Julius Jelden-Thurm, Co-Chief Technical Officer, HEE, ergänzt.

Wir freuen uns auf weitere zukünftige Projekte mit Alfa Laval.” 

Nachhaltige Lösungen für eine bessere Welt

Alfa Laval beschleunigt durch seine innovativen Lösungen in der Energieübertragung den Übergang zu einer sauberen, nachhaltigen Zukunft. Die Lösungen des Unternehmens tragen dazu bei, Emissionen zu reduzieren, die Energieeffizienz zu verbessern und gleichzeitig einen verantwortungsvolleren Umgang mit den natürlichen Ressourcen zu fördern. Alfa Laval ist ein zuverlässiger Partner der Brennstoffzellenindustrie und unterstützt diese, die weltweit wachsenden Nachfrage zu erfüllen.