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Foto: GE
Wenn es einen Weg gibt, in Zukunft hocheffiziente Kraftwerke auf Basis der Kohlevergasung zu bauen, dann liegt dieser Experten zufolge in der so genannten Solid Oxid Fuel Cell (SOFC), einer Brennstoffzelle mit besonders hoher Betriebstemperatur. Bei dieser wird Wasserstoff aus einem Gas-Strom erzeugt, um dann in einer chemischen Reaktion Energie zu erzeugen. Das ist wesentlich effizienter, als einfach das aus der Kohle erzeugte Gas zu verbrennen. Ein weiterer Vorteil: Die SOFC-Technik gilt als skalierbar und könnte bald ganze Städte mit Strom versorgen.
Das Problem bei diesem eigentlich hochinteressanten Ansatz waren bis dato jedoch die hohen Produktionskosten. Forscher beim Industriegiganten GE haben nun jedoch ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die für die Brennstoffzelle notwendigen Schichten aus Keramik- und Elektrolyt-Material so kostengünstig herstellen lassen, dass die Endkosten nur bei rund 800 Dollar pro Kilowatt liegen. Konventionelle Gas-Kraftwerke erreichen zwischen 500 und 550 Dollar pro Kilowatt – die SOFC-Technik nähert sich diesem Punkt also.
GE kann einen Prototyp mit 6 Kilowatt demonstrieren, der einen Wirkungsgrad von 49 Prozent bei der Umwandlung des Energieträgers in Elektrizität erzielt. Das ist besser als die 35 Prozent, die gewöhnliche Kohlekraftwerke erreichen. "GE hat damit einen ganz neuen Standard erreicht", glaubt Wayne Surdoval, Technologiemanager für Brennstoffzellen am National Energy Technology Laboratory, das Teil des US-Energieministeriums ist und das GE-Projekt und ähnliche SOFC- Vorhaben mitfinanziert. "Es geht darum, eine besonders kostengünstige Brennstoffzelle zu bauen. Wir brauchen einfache Herstellungstechniken, bei denen relativ kostengünstige Materialien in der Zelle selbst verwendet werden können."
Surdoval erklärt diesen Prozess mit einem Bild: Es sei so, wie wenn man einen Pizzateig zubereite. Drei verschiedene Materialien, die die zwei Elektrodenschichten und die Elektrolytschicht bildeten, aus denen die Brennstoffzelle besteht, würden vermischt und durch zwei Walzen geführt, um sie zu pressen. "Sie haben also drei verschiedene "Teigarten", plätten jede davon, schichten sie und plätten sie erneut. Dann wird das Ganze im Grunde genommen nur noch zusammengebacken."
Dieser Herstellungsprozess dürfte schnell zur Massenproduktion führen, meint Kelley Fletcher, Technologieleiter in der Abteilung für erneuerbare Energien bei GE Global Research. "Es gibt bereits Brennstoffzellen, die mehr Energie erzeugen können, und auch solche, die unseren SOFC-Wirkungsgrad erreichen. Doch das alles in ein Paket zu schnüren, mit derart geringen Kosten, wie wir sie vorhersagen, ist eine echte Leistung." Frühere Prototypen hätten in der Herstellung mindestens mehrere tausend Dollar pro Kilowatt gekostet.
Bis die Technik tatsächlich in die Massenproduktion gehen kann, müssen aber noch einige Hindernisse überwunden werden. Schwefel im Kohlenwasserstoff-Treibstoff kann die Brennstoffzelle verschmutzen und in ihrer Wirkung einschränken. GE und andere Unternehmen arbeiten daher an Vorbehandlungsprozessen, um Verschmutzungen so weit wie möglich aus der Brennstoffzelle selbst herauszuhalten. Forscher an der Tufts University haben so beispielsweise Zer- und Lanthanoxid eingesetzt, um Schwefel zu entsorgen.
Maria Flytzani-Stephanopoulos, die das entsprechende Forschungsprojekt als Chemieingenieurin an der Tufts University leitete, hält den GE-Prototypen zwar für eindrucksvoll, glaubt aber, dass es noch einige große Herausforderungen zu meistern gäbe. "Die Zahlen, die genannt worden sind, zeigen, dass sich viel getan hat. Natürlich muss nun aber erst einmal bewiesen werden, dass dieser Wirkungsgrad auch bei größeren Anlagen vorhanden bleibt."
Das GE-Projekt ist Teil der "Clean Coal"-Initiative des US- Energieministeriums, die 2003 gestartet wurde und hocheffiziente SOFC- Technologien ergeben soll, die sich in Kraftwerken auf Basis der Kohlevergasungstechnik einsetzen lassen. Mehrere Megawatt will man so in zehn Jahren erreichen. Einer der Gründe: In den Vereinigten Staaten stehen noch große Kohlereserven unter der Erde zur Verfügung – diese könnten bis zu 250 Jahre ausreichen. Die aktuelle Kohlekraftwerkstechnik mit direkter Verbrennung gilt jedoch als ein wichtiger Faktor bei der zunehmenden globalen Erwärmung – so setzt Kohle mehr Kohlendioxid pro Einheit frei, als jeder andere fossile Brennstoff.
In Kohlevergasungskraftwerken wird die Kohle erhitzt und in so genanntes Synthesegas umgewandelt – eine Mischung, die hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht. Dies lässt sich dann in einem Kraftwerkstyp namens "Integrated Gasification Combined Cycle" verbrennen. Mit der GE-Technologie würde der Wasserstoff aus dem Synthesegas herausgezogen und dann in die SOFC-Kammern geleitet.
Übersetzung: Ben Schwan.
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