Festoxidbrennstoffzellen liefern Notstrom für kleine Hybridanwendungen

Die Watt Remote SOFC ist für die Integration in eine Energiespeicher-/Solarstromlösung konzipiert. (Foto: Watt Fuel Cell)

Notstromversorgung deckt ein breites Spektrum an Anwendungen ab, vom privaten bis zum industriellen Bereich. Im letzteren Bereich konkurrieren Generatoren und Batteriespeichersysteme (BESS) derzeit miteinander. Viele BESS-Hersteller konnten ihre Systeme so skalieren, dass sie mehrere Megawatt Leistung liefern, die bisher nur von großen Industriegeneratoren bereitgestellt werden konnte.

Generatoren werden auch in der Notstromversorgung eingesetzt, die am ehesten als kommerziell beschrieben werden kann. Diese Anwendungen erfordern typischerweise eine zuverlässige Notstromversorgung, benötigen aber nicht die in industriellen Situationen erforderliche Leistung.

In kleineren kommerziellen Anwendungen konkurrieren Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) mit Generatorensätzen.

Danielle Ramaley, Vizepräsidentin für Vertrieb und Marketing beim SOFC-Hersteller Watt Fuel Cell mit Sitz in Mount Pleasant im US-Bundesstaat Pennsylvania, sagte, man könne eine SOFC am einfachsten beschreiben, indem man an eine Batterie denke.

Es handelt sich um ein elektrochemisches Gerät derselben Art mit Anode, Kathode und Elektrolyt. Doch anstatt Energie nur zu speichern, kann eine SOFC Energie erzeugen, sofern eine Brennstoffquelle vorhanden ist.

Sie sagte, dass eine SOFC Brennstoff – hauptsächlich Erdgas – chemisch in Gleichstrom umwandelt.

„Es läuft komplett katalytisch ab – keine Verbrennung“, sagte Ramaley und fügte hinzu, dass zu den Vorteilen eine sehr geringe Geräuschentwicklung gehöre, „weil man nicht über die rotierenden Geräte eines herkömmlichen Verbrennungsprozesses verfügt“, und dass die Emissionen deutlich geringer seien.

„Keine NOx (Stickoxide), keine SOx (Schwefeloxide), keine Partikel“, sagte sie.

Gasförmige Brennstoffquellen

Während Watts SOFCs hauptsächlich Erdgas verwenden, können sie laut Ramaley auch Propan verwenden.

„In einigen unserer Projekte können wir beiden Kraftstoffen auch Wasserstoff beimischen, bis zu einem Anteil von etwa 20 Prozent“, sagte Ramaley. „Watt konzentriert sich jedoch auf leicht verfügbare, kommerziell erhältliche Kraftstoffe, die leicht zu beschaffen sind.“

Sie fügte hinzu, dass viele Anwendungen in abgelegenen Gebieten Propan verwenden, ebenso wie Anwendungen in Wohnmobilen. Im privaten Bereich sei Erdgas der bevorzugte Brennstoff, sagte Ramaley.

Anwendungen im kleinen Maßstab

„Aus Marktperspektive würde ich sagen, dass Watt sich auf die Stromerzeugung im kleinen Maßstab konzentriert und wir uns auf drei verschiedene Märkte konzentrieren“, sagte Ramaley.

Zwei davon sind die Stromversorgung von Wohngebäuden, die entweder als Primär- oder Notstromversorgung dienen kann, und Freizeitanwendungen, beispielsweise in Wohnmobilen. Der dritte Markt sind Anwendungen zur Fernstromversorgung, bei denen Watts SOFCs typischerweise mit anderen Energieerzeugungs- und -speichertechnologien, einschließlich Batterien, zusammenarbeiten, so Ramaley.

Die Watt Nomad SOFC ist für den Wohnmobilmarkt konzipiert, einen der wichtigsten Märkte von Watt Fuel Cell. (Foto: Watt Fuel Cell)

„Wir schaffen ein wirklich großartiges Energiesystem, das sich hervorragend für Anwendungen eignet, bei denen man sich irgendwo im Nirgendwo befindet und zuverlässigen, belastbaren und sauberen Strom benötigt“, sagte sie. „Wenn man Solarenergie mit einer Batterie und einer Festoxid-Brennstoffzelle kombiniert, ist die Brennstoffzelle immer verfügbar, wenn die Solarenergie nicht in Betrieb ist, und kann je nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden.“

Ramaley sagte, dass zu den weiteren Anwendungsgebieten die Sicherung von entfernten Geräten wie Öl- und Gasbohrlöchern sowie einige einzigartigere Anwendungen der Technologie gehören.

„Wenn ich an einige der industriellen und kommerziellen Anwendungen denke, auf die wir uns mit unseren Vertriebspartnern konzentrieren, dann geht es um Dinge wie Fernsicherheit und Überwachung“, sagte sie. „Wir haben einen Kunden, der sich auf Gesichtserkennungssoftware konzentriert. Er hat einen Vertrag für Amber Alerts – vermisste Personen.“

Einzigartige Technologie

Ramaley sagte, dass Watts SOFC-Technologie im Vergleich zu Konkurrenztechnologien, die sie als „planare“ SOFCs bezeichnete, einzigartig sei.

„Die Brennstoffzellen haben etwa die Größe eines Untersetzers oder eines Post-It-Zettels“, sagte sie über planare SOFCs. „Diese Brennstoffzellen sind in mehreren Stapeln übereinander gestapelt, wie ein Kartenspiel. Unsere Brennstoffzellen sind mikrotubular, also etwa so groß wie ein Kugelschreiber. Sie sind in einem Stapel angeordnet.“

Laut Ramaley sind Watts SOFCs aufgrund ihrer röhrenförmigen Geometrie und Konfiguration besonders gut für thermische Zyklen und Lastfolgen geeignet und können zudem mehrmals ein- und ausgeschaltet werden.

„Traditionell lässt sich die planare SOFC-Technologie nicht gerne ein- und ausschalten“, sagte sie. „Sie muss eingeschaltet sein und eine konstante Leistung abgeben. Mikrotubular-Brennstoffzellen hingegen sind sehr gut für den zyklischen Betrieb geeignet, und unsere Technologie ist darauf ausgelegt. Daher bieten wir für kommerzielle und industrielle Anwendungen sowie für die Fernstromversorgung eine hervorragende Technologie für diesen zyklischen Bedarf.“

Ein kleiner Fußabdruck

Anders als herkömmliche Stromaggregate, selbst viele tragbare, passen die SOFCs von Watt buchstäblich auf eine Arbeitsplatte.

„Unser Gerät ist etwa so groß wie eine Mikrowelle, die man auf die Arbeitsplatte stellen würde“, sagte Ramaley. „Es ist relativ klein – etwas über 60 cm, 60 cm breit und in jede Richtung etwas über 30 cm breit.“

Sie fügte hinzu, dass der Platzbedarf unabhängig von der Leistungsabgabe gleich bleibt. „Wir haben ein etwa 500-Watt-System und ein 1,5-kW-System.“

Ramaley sagte, dass die durchschnittliche Leistungsabgabe für den privaten Gebrauch in den USA etwa 1,2 kW beträgt, was in Verbindung mit Energiespeicherung die durchschnittliche Grundlast eines Haushalts konstant decken kann.

„Sie können dann Ihre Spitzen abdecken und haben im Wesentlichen jederzeit saubere Notstromversorgung, wenn Sie sie brauchen“, sagte sie.

Reduzierter Kraftstoffverbrauch, Wartung

Ramaley sagte, dass SOFCs, die als Backup für ein Solarsystem eingesetzt werden, das ansonsten auf ein herkömmliches Generatoraggregat zur Notstromversorgung angewiesen wäre, Brennstoffeinsparungen von 60 bis 90 Prozent ermöglichen können.

„Manchmal kann die Brennstoffzelle tagelang stillstehen“, sagte sie. „Manchmal läuft sie täglich, beispielsweise im Winter. Eine Energiequelle, die den Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu Produkten auf Verbrennungsbasis um 60 bis 90 Prozent senkt, ermöglicht es diesen abgelegenen Standorten, den Wartungsaufwand vor Ort zu reduzieren.“

Der Wartungsaufwand wird zusätzlich dadurch reduziert, dass die SOFC über jede Internetverbindung überwacht werden kann und keine beweglichen Teile vorhanden sind.

„Wenn es sich also um wirklich abgelegene Anwendungen handelt, für die Sie ein Außendienstteam in ein Szenario mitten im Nirgendwo schicken müssen, können Sie den Betrieb der Brennstoffzelle aus der Ferne überwachen, solange Sie über Internetzugang verfügen, und in Echtzeit sehen, was mit Ihrem Energiespeicherstand, Ihrem Batteriestand, Ihrem Ladezustand, Ihrer produzierten Solarenergiemenge und dem Brennstoffzellenzyklus passiert.“

Modular und skalierbar

Für größere Anwendungen oder solche, die gelegentlich mehr Leistung benötigen, als eine einzelne Einheit liefern kann, sind die Brennstoffzellen laut Ramaley modular und skalierbar.

„Wir nutzen CAN-Kommunikation, um unsere Einheiten miteinander zu verbinden“, sagte sie. „Wir können bis zu zehn Einheiten miteinander verbinden, und die Einheiten kommunizieren intelligent miteinander. Wenn also für einen bestimmten Zeitraum keine große Leistungsaufnahme erforderlich ist, wird automatisch zwischen den Einheiten gewechselt, zuerst die erste, dann die zweite und schließlich die dritte. Aber auch mehrere Einheiten gleichzeitig können eingeschaltet werden.“

Watt nutzt 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von SOFCs

Watt Fuel Cell ist stolz darauf, bei der Herstellung seiner Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) die 3D-Fertigung einzusetzen.

„Das ist Watts Anspruch auf Ruhm“, sagte Danielle Ramaley, Vizepräsidentin für Vertrieb und Marketing bei Watt Fuel Cell, „und ein großer Teil unserer proprietären Technologie basiert auf der Art und Weise, wie wir unsere röhrenförmigen Brennstoffzellen herstellen.“

Ein automatisierter Roboter, der in Watts 3D-Druckverfahren eingesetzt wird. (Foto: Watt Fuel Cell)

Ramaley sagte, dass röhrenförmige Brennstoffzellen wie die von Watt in einem Extrusionsverfahren hergestellt werden.

„Es ist wie bei der Zubereitung von Rigatoni“, sagte sie und meinte damit die Pastasorte. „Man stellt eine Paste her. Diese wird ausgepresst und anschließend in mehreren Prozessen mit Schichten, Elektrolyt und Kathode versehen. Es ist ein sehr iterativer und langwieriger Prozess.“

Mit diesem Extrusionsverfahren dauert die Herstellung einer röhrenförmigen Brennstoffzelle etwa 200 Stunden, sagte Ramaley.

„Watt hat die Entwicklung der Technologie auf Wirtschaftlichkeit und Realisierbarkeit im großen Maßstab ausgerichtet“, sagte sie. „Deshalb haben wir uns von Anfang an auf den 3D-Druck konzentriert. Und jetzt haben wir einen Prozess, der traditionell etwa 200 Stunden dauert, auf vier Minuten verkürzt.“

Neben der erheblichen Verkürzung der Fertigungszeit sei der Detaillierungsgrad, der durch Watts 3D-Drucktechnologie erzielt werde, ein weiterer Vorteil, sagte Ramaley.

„Wir drucken tatsächlich im Mikrometerbereich, also etwa halb so groß wie ein menschliches Haar“, sagte sie. „Dadurch können wir nicht nur die Qualität unserer Brennstoffzellen kontrollieren, sondern auch deren Druck und Konstruktion.“

Laut Ramaley kann Watt seine SOFCs dadurch aufgrund der hohen Detailgenauigkeit so konstruieren, dass die Effizienz maximiert wird – was mit der Extrusion nicht möglich ist.

Watts Herstellungsverfahren im Vergleich zum traditionellen Extrusionsverfahren. (Bild: Watt Fuel Cell)

„Unser Hauptsitz befindet sich in Mount Pleasant, Pennsylvania, etwas außerhalb von Pittsburgh, und wir haben gerade eine große Expansion hinter uns“, sagte Ramaley. „Der Schwerpunkt dieser Expansion lag auf der Erweiterung unserer 3D-Druckkapazitäten. Wir können jetzt jährlich zwischen 1500 und 2000 Einheiten produzieren.“

Watt kann seine 3D-Druckkapazität nutzen, um rund um die Uhr SOFCs herzustellen.

„Wir nutzen mehrere Druckverfahren mit einem Roboterarm und einer computergestützten Qualitätskontrolle“, sagte Ramaley. „Dadurch können wir den menschlichen Faktor im Produktionsprozess weitgehend ausschalten und erreichen so ein hohes Maß an Qualität und Wiederholbarkeit für die Herstellung wirklich hochwertiger röhrenförmiger Brennstoffzellen.“

Generac beteiligt sich am Brennstoffzellenunternehmen Watt Fuel Cell Corp., das auf Festoxidbrennstoffzellen für den privaten und anderen Einsatzbereich spezialisiert ist