Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) für die Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Von der Innovation zum marktfähigen Produkt – der Helmholtz-Validierungsfond fördert die Entwicklung der Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) in Millionenhöhe

Nicola Kimiaie, Gründerin und Inhaberin von E3 Energy & Environmental EngineerIng. war während ihrer Tätigkeit am Forschungszentrum Jülich eine der leitenden Wissenschaftlerinnen des Projektes „Sichere Energieversorgung für netzferne Kleinverbraucher mit Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC-USV)“ (gefördert durch den Helmholtz-Validierungsfond).

Diskussionen mit Fachleuten aus der Industrie zeigten, dass unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) insbesondere für Mobilfunkstationen der LTE-Netze bzw. zur Absicherung von sicherheitsrelevanten Einrichtungen ein hohes Marktpotenzial aufweisen, wenn lange Ausfallzeiten, d.h. mindestens übers Wochenende (≥ 72 h), überbrückt werden können.

Zur Kompensation von Netzausfällen nutzen derzeitige Systeme Batterien, allerdings sind die Überbrückungszeiten der Batterien auf wenige Stunden begrenzt. Zur Überbrückung von längeren Ausfallzeiten werden alternativ kleine Dieselaggregate (Nachteil: hoher Wartungsaufwand und Emissionen) oder Wasserstoff-Brennstoffzellen (Nachteil: niedriger volumetrischer Energieinhalt des Wasserstoffs) eingesetzt.

Die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) verbindet die Zuverlässigkeit einer Brennstoffzelle mit den Vorteilen eines flüssigen Kraftstoffes. Dies stellt eines der Alleinstellungsmerkmale dar. Durch die hohe Energiedichte des flüssigen Methanols (~16 MJ/l) stellen DMFC-Systeme eine wirtschaftliche Alternative zu vorhandenen elektrochemischen Techniken dar, da sie bei gleichem Bauraum im Vergleich mit Batterien um den Faktor 3-4 längere Betriebszeiten ermöglichen. Gegenüber der Wasserstoffbrennstoffzelle (PEMFC) liegt der Vorteil in der einfachen Brennstofflogistik. Im Vergleich zu Notstromdieselaggregaten haben Brennstoffzellensysteme weniger Emissionen (Abgase und Geräusche) und geringere Wartungskosten. Die Emissionen einer DMFC bestehen aus Wasser und Kohlendioxid.

Mit den DMFCs ist die Überbrückung eines über mehrere Tage gehenden Ausfalls realisierbar, wo man bei PEMFCs mit der hierfür notwendigen Anzahl von acht Wasserstoff-Flaschenbündeln an Grenzen stößt. Wohingegen Brennstoffzellen mit Methanolreformer eine genauso hohe Reichweite wie DMFCs aufweisen, demgegenüber stehen aber höhere Investitions- und Betriebskosten.

Zur Beurteilung der Wettbewerbsfähigkeit der DMFC-Technologie im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen-Technologien, ist ein Betriebskostenvergleich durchgeführt worden. Als Einsatzbedingung werden 10 Jahre mit einer Gesamtbetriebsdauer von 5.000 Betriebs-stunden angesetzt. Dabei weist das DMFC-System signifikant geringere Betriebskosten als die Vergleichstechnologien auf.

Im Rahmen des Validierungsvorhabens ist ein 4 kW Energieversorgungssystem zur Stromversorgung auf Basis von DMFC aufgebaut worden. Der Prototyp besteht aus einem DMFC Brennstoffzellensystem und einer Steuerung, die eine Fernüberwachung ermöglicht. Es ist für den mehrtägigen Einsatz in der Notstromversorgung bzw. in der autarken Stromversorgung netzferner Telekommunikations- bzw. Sicherheitseinrichtungen gedacht. Derzeit (Stand August 2016) befindet sich das System bei einem Anwendungstest, damit die Praxistauglichkeit und die Wirtschaftlichkeit der DMFC-USV nachgewiesen werden kann.

Mehr Informationen finden Sie auf den Webseiten des Forschungszentrum Jülich http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Downloads/IEK/IEK-3/Flyer/Wirtschaftlichkeitsbetrachtung_DMFC%20(D).html?nn=556716

Publikationen:
Müller, M. ; Glüsen, A. ; Kimiaie, N.
Direct Methanol Fuel Cell Systems for Back up Power Influence on the Stand By Procedure on the Lifetime
International journal of hydrogen energy 39(36), 21739–21745 (2014)
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319914024732

Müller, M. ; Kimiaie, N. ; Glüsen, A. ; Stähler, M. ; Stolten, D.
Development of a 2 kW Direct Methanol Fuel Cell System for Backup Power
Piero Lunghi Conference EFC 2013, Rom, Italy, 11 Dec 2013 – 13 Dec 2013 (2013)