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Aufgabe

Brennstoffzelle als Kleinkraftwerk

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

 

HotModule nennt man eine Technologie, die für dezentrale Kleinkraftwerke derzeit in zahlreichen Feldversuchen in Kliniken und verschiedenen Industriebetrieben in Erprobung ist. Diese HotModule wurden bereits auf ihre Alltagstauglichkeit getestet. Der Vorteil solcher Anlagen ist, dass sie außer Strom auch Hochtemperaturwärme liefern. Die Wärme wird für eine Vielzahl von betrieblichen Prozessen verwendet, bei Michelin z.B. zur Erzeugung von Dampf für die Vulkanisation von Reifen und in Kliniken, etwa für die Klimatisierung sowie für die Sterilisierung. Ein solches Modul ist einfach aufgebaut. Es besteht aus - dem zentralen Stahlkessel mit dem Brennstoffzellen-Stapel, - einem vorgeschalteten Gasreiniger und - einem nachgeschalteten Elektroschrank. in dem der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird und der die Steuerung der Anlage enthält. Das eigentliche HotModule besteht aus einer Karbonat-Brennstoffzelle, in deren Innern eine Temperatur von 650 °C herrscht. Wegen der hohen Temperatur kann man auf teure Katalysatoren aus Edelmetall verzichten. Nickel genügt, um die Reaktion in Gang zu bringen.

Technische Daten eines HotModuls (Beispiel; MTU))
Brennstoff: Erdgas, Biogas, Deponiegas, Klärgas, Methanol, industrielle Restgase
Elektrische Leistung des Zellenblocks: 270kW
Elektrische Anlage am Netz: 245kW
Ablufttemperatur für die Wärmenutzung: 400°C
Thermische Leistung der Anlage: 180kW
Anzahl der Zellen: 350
Elektrischer Wirkungsgrad je Zellenblock: etwa 56%

a)Bestimme aus den Daten, welche im Gas gespeicherte Energie, die Anlage pro Sekunde umsetzt.

b)Welcher Vorteil ergibt sich durch die zusätzliche Nutzung der Wärme? Wie hoch wird dadurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage?

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a)\[\eta  = \frac{{\Delta {E_{{\rm{elektr}}}}}}{{\Delta {E_{{\rm{chem}}}}}} \Leftrightarrow \Delta {E_{{\rm{chem}}}} = \frac{{\Delta {E_{{\rm{elektr}}}}}}{\eta } \Rightarrow \Delta {E_{{\rm{chem}}}} = \frac{{270{\rm{kJ}}}}{{0,56}} = 482{\rm{kJ}}\]

b)Durch die zusätzliche Nutzung der Wärme kann der Wirkungsgrad der Gesamtanlage erhöht werden.\[{\eta ^*} = \frac{{\Delta E_{{\rm{elektr}}}^* + {E_{{\rm{therm}}}}}}{{\Delta {E_{{\rm{chem}}}}}} \Rightarrow {\eta ^*} = \frac{{245{\rm{kJ}} + 180{\rm{kJ}}}}{{482{\rm{kJ}}}} = 88\% \]