Technische und ökonomische Analyse der Brennstoffzellennutzung in der Biogastechnik

Diplomarbeit aus dem Jahr 2006 im Fachbereich Chemie - Biochemie, Note: 1,7, HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst - Fachhochschule Hildesheim, Holzminden, Göttingen (Ressourcenmanagement, Technischer Umweltschutz), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Problemstellung: Derzeit befinden wir uns im grundlegenden Wandel unserer Energieversorgung. Da der Bedarf stetig steigt, die fossilen Ressourcen schwinden und der globale Klimaschutz eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erfordert, steht die deutsche Stromwirtschaft vor einer Umstrukturierung der Energieversorgung. Um Versorgungssicherheit, günstige Preise und Klimaschutz auf einen Nenner zu bringen, muss daher der Energiemix der Zukunft mit effizienten Technologien und einem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien sichergestellt werden. Einen steigenden Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leistet hierbei unter Anderem die Biogastechnologie, welche immer mehr an Bedeutung gewinnt und noch ein enormes Potential birgt. Im Jahr 2005 konnten durch die Erzeugung von Biogas 3.200 GWh Strom in Deutschland erzeugt werden. Das entsprach einem Anteil von 0,53 % (5,1 %, bezogen auf erneuerbare Energien) an der gesamten Stromerzeugung bundesweit. Das größte Potential für die Gewinnung von Biogas ist in der Landwirtschaft zu finden. Über 200.000 Anlagen, allein mit Abfällen aus der Landwirtschaft, könnten in Deutschland realisiert werden. Vergleicht man dies mit den derzeit ca. 2.700 Biogasanlagen (elektrische Gesamtleistung von ca. 665 MW), so wird das Potential dieser Technologie ersichtlich. Biogas wird derzeit überwiegend in Verbrennungsmotoren verwertet, welche einen Generator zur Stromerzeugung antreiben. Neben diesen konventionellen Technologien gibt es noch weitere Nutzungsmöglichkeiten, sowie innovative Methoden der Biogasverwertung, wie z.B. die Implementierung einer Brennstoffzelle. Hierbei macht man sich zu Nutze, dass im Methanmolekül (CH4, zu 50 - 75 Vol.-% im Biogas enthalten) Wasserstoff enthalten ist. Über eine Reformierung wird der Wasserstoff von dem Kohlenstoff abgespalten und der Brennstoffzelle zugeführt, welche diesen als Kraftstoff benötigt. Die Molten-Carbonate-Fuel-Cell (MCFC) ist für die Verwertung von Biogasen aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur und den Reaktanden im Gegensatz zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen besonders gut geeignet. Im Vergleich zu anderen Technologien zeichnet sich diese Alternative insbesondere durch hohe Wirkungsgrade und deutlich niedrigere Emissionen aus. Problematisch ist allerdings, dass die Brennstoffzelle wesentlich höhere Gasqualitäten fordert als das Biogas liefern kann. Somit ist es unumgänglich, für die Brennstoffzelle schädliche Gaskomponenten mittels vorgeschalteter Einrichtungen herauszufiltern, da bereits geringe Mengen an Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlenmonoxid ,-dioxid sowie Halogen- verbindungen die in der Brennstoffzelle eingesetzten Katalysatoren schädigen als auch Leistung und Betriebsdauer der Brennstoffzelle erheblich reduzieren. Nachteilig ist jedoch, dass die Brennstoffzelle bzw. die Gasaufbereitung dafür noch sehr kostenintensiv ist, sodass ein Weg gefunden werden muss, der sowohl den Anforderungen der Brennstoffzelle an die Gasqualität gerecht wird als auch aus ökonomischer Sicht sinnvoll ist. Aufgrund der hohen Anforderungen der Brennstoffzelle an die Gasqualität liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit bei der Aufbereitungstechnik des Biogases. In den folgenden Kapiteln sollen daher verschiedene Methoden (biologische/chemische/physikalische) der Biogasaufbereitung unter- sucht und aufgezeigt werden, damit das Gas anschließend in der Brennstoffzelle verwertet werden kann. Im ersten Teil dieser Arbeit wird im Allgemeinen die Biogastechnologie fokussiert. Dieses Kapitel wird nur kurz angeschnitten, da diese Technologie größtenteils bekannt bzw. ausgereift ist. Darauf aufbauend werden zwei Bre...