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Dezentrale Energieversorgung
Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung dieses Fachgebietes ist die dezentrale Energieversorgung. Durch die Fortschritte auf den Gebieten der Batterietechnologie, der erneuerbaren Energien und der Elektromobilität gewinnt dieses Themengebiet zunehmend an Bedeutung. Die dezentrale elektrische Energieversorgung ist sinnvoll bei der Energieversorgung von Einfamilienhäusern, Wohnsiedlungen oder Wohnregionen. Hierbei kann das Stromnetz zur Stabilisierung verwendet werden, genauso ist aber auch ein völlig autonomer Betrieb denkbar. Dies wäre zum Beispiel besonders sinnvoll für Entwicklungsländer, die nicht auf eine Netzinfrastruktur zurückgreifen können.
Das Prinzip der dezentralen Energieversorgung ist für ein Einfamilienhaus in der Abbildung dargestellt.
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Das Schaubild zeigt das Prinzip eines dezentralen Energiekonzepts für ein Haus.
Das Haus ist als Umriss dargestellt und enthält verschiedene Energiequellen, Speicher und Verbraucher:
- Oben auf dem Dach: Photovoltaik-Anlage (links) und Windkraftanlage (rechts).
- Im Haus:
- Ein Block „Brennstoffzellen oder Generator (z. B. Biodiesel)“ ist mit grünen Linien an das Batteriesystem angeschlossen.
- Das „Batteriesystem“ ist zentral platziert und über grüne und blaue Linien mit weiteren Komponenten verbunden.
- Ein „BMS“ (Batterie-Management-System) und ein „EMS“ (Energie-Management-System) steuern die Energieflüsse.
- „Modul Input“ (blau) verbindet die Energiequellen mit den Systemen.
- „Modul Output“ (rot) verteilt die Energie an die Verbraucher.
- Verbraucher:
- „Verbraucher Haus“ (z. B. Herd, etc.)
- „Heizung“ (z. B. Wärmepumpe)
- Eine Wallbox für das Laden eines Elektroautos, das rechts außerhalb des Hauses steht.
- Optional: Anschluss an das öffentliche Stromnetz.
Am unteren Bildrand werden die Abkürzungen erklärt:
BMS = Batterie-Management-System, EMS = Energie-Management-System.
Die Energie wird mit Solarzellen und aus Wind erzeugt. Des Weiteren kann es zur Absicherung des Energiebedarfs zusätzlich sinnvoll sein, Brennstoffzellen oder einen durch Diesel o. ä. betriebenen Generator zu verwenden.
Die erzeugte Energie wird in dem zentralen Batteriesystem gespeichert.
Aus dem Batteriesystem wird das Haus mit herkömmlichem Wechselstrom 230/400 Volt versorgt. Hiermit können die gängigen Haushaltsgeräte wie Herd, Waschmaschine usw. betrieben werden.
Des Weiteren speist das zentrale Batteriesystem das Elektroauto bidirektional. Das bedeutet, dass einerseits das Elektrofahrzeug geladen werden kann, es ebenso möglich ist, mit dem Elektrofahrzeug das Batteriesystem des Hauses aufzuladen. Aus dem zentralen Batteriesystem kann ebenfalls eine Wärmepumpe betrieben und damit das Haus beheizt werden.
Je nach Bedarf kann das Haus bidirektional mit dem Stromnetz verbunden werden.
Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Projektes Power 400 leisten wir auf dem Gebiet der dezentralen Energieversorgung Grundlagenforschung.
Brennstoffzellentechnik
Wasserstoff-Brennstoffzelle
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Die Grafik zeigt den Querschnitt einer einzelnen Brennstoffzelle vor einem hellgrauen Hintergrund. Der Aufbau gliedert sich von links nach rechts in drei Hauptbereiche: Anode (Minuspol), Elektrolyt-Membran und Kathode (Pluspol).
- Linke Seite (Anode):
Zwei Wasserstoff-Moleküle (2H₂) treffen auf die Anode. Der Wasserstoff wird aufgespalten. Die Reaktionsgleichung lautet: 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻. Es entstehen vier positiv geladene Wasserstoff-Ionen (Protonen) und vier negativ geladene Elektronen. - Mitte (Membran):
Eine gelbe Trennschicht befindet sich zwischen Anode und Kathode. Sie ist beschriftet mit „PEM = Polymer Electrolyte Membrane“. Diese Membran ist nur für die positiven Protonen (H⁺) durchlässig, die von links nach rechts wandern. - Äußerer Stromkreis:
Die Elektronen (4e⁻) können die Membran nicht passieren. Sie fließen über einen externen Leiter von der Anode oben über eine leuchtende Glühbirne zur Kathode. Dies symbolisiert den Stromfluss. - Rechte Seite (Kathode):
Ein Sauerstoff-Molekül (O₂) trifft auf die Kathode. Die Elektronen aus dem Stromkreis, die Protonen durch die Membran und der Sauerstoff treffen zusammen. Sie reagieren zu zwei Wasser-Molekülen (2H₂O). Die Reaktionsgleichung lautet: 4H⁺ + 4e⁻ + O₂ → 2H₂O.
Brennstoffzellen-Stack
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Die Grafik zeigt einen sogenannten „Stack“ (Stapel), bei dem mehrere flache Brennstoffzellen wie in einem Sandwich hintereinander angeordnet sind.
- Aufbau:
Der Stapel besteht abwechselnd aus grauen Platten (Bipolarplatten mit Kanälen) und den eigentlichen elektrochemischen Zellen (gelb/orange und blau dargestellt). Ein goldener Bügel verbindet die erste und die letzte Platte des Stapels elektrisch mit einer leuchtenden Glühbirne, was die Energieerzeugung demonstriert. - Stoffströme:
Rote Pfeile an der linken Seite zeigen, dass Wasserstoff (H₂) in die Zwischenräume der Platten eingeleitet wird.
Hellblaue Pfeile von oben zeigen, dass Luft (O₂) in den Stapel strömt.
Dunklere blaue Pfeile treten unten aus und symbolisieren das „Abgas“: Luft (O₂) und Wasser (H₂O).
Drei rote Pfeile auf der rechten Seite zeigen aus dem Stapel heraus und sind mit „Wärme“ beschriftet, was die Abwärme als Nebenprodukt der Reaktion verdeutlicht.
Methanol-Brennstoffzelle
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Diese Grafik zeigt den Querschnitt einer Direktmethanolbrennstoffzelle. Der Aufbau (Anode, Membran, Kathode) ähnelt der Wasserstoff-Brennstoffzelle, nutzt aber Methanol als Brennstoff.
- Linke Seite (Anode):
Zwei Methanol-Moleküle (2CH₃OH) und zwei Wasser-Moleküle (2H₂O) reagieren an der Anode. Dabei wird Kohlendioxid (2CO₂) freigesetzt. Es werden 12 Elektronen (12e⁻) freigesetzt, die über den externen Stromkreis (mit Glühbirne) fließen. Gleichzeitig wandern 12 Protonen (12H⁺) durch die gelbe Membran. - Mitte (Membran):
Die gelbe Membran in der Mitte ist beschriftet mit „PEM = Proton Exchange Membrane“. Sie lässt die positiv geladenen Teilchen zur anderen Seite durch. - Rechte Seite (Kathode):
Drei Sauerstoff-Moleküle (3O₂) treffen auf die Kathode. Der Sauerstoff reagiert mit den 12 Elektronen und den 12 Protonen. Es entstehen sechs Wasser-Moleküle (6H₂O), die nach rechts abgeführt werden.
Für die dezentrale Energieversorgung ist der Einsatz von Elektrolyseuren, Wasserstoffspeichern und Brennstoffzellen unumgänglich, da Batteriespeicher zwar den Tagesgang von Wind- und Sonnenenergie ausgleichen können, für den Ausgleich von jahreszeitlichen Schwankungen aber zu groß, schwer und teuer wären. Kombinierter Einsatz von Wind- und Sonnenenergie kann hier einen gewissen Ausgleich schaffen, da PV-Anlagen im Sommer mehr Strom liefern, Windkraftanlagen in den anderen Jahreszeiten, aber nicht für alle Versorgungsszenarien sind beide Energieformen einsetzbar.
Hier kommen Elektrolyseure zur Gewinnung von Wasserstoff aus überschüssigem Strom ins Spiel, und Brennstoffzellen zur Rückverstromung des gespeicherten Wasserstoffs. Insbesondere im großen Maßstab lässt sich Wasserstoff sehr günstig in Salzkavernen speichern, eine bei Erdgas seit langem erprobte Technologie. Für den Einsatz in Häusern, Industriebetrieben und Quartieren bieten sich Druckgasspeicher mit bis zu 45 bar oder Stahlflaschenbündel mit bis zu 300 bar an. Wir prüfen auch den Einsatz von Metallhydridspeichern, die das geringste Volumen aller Wasserstoffspeicher in Anspruch nehmen, sogar nur etwa die Hälfte von flüssigem Wasserstoff, der wegen seiner niedrigen Siedetemperatur von -253 Grad Celsius schwer handhabbar ist und hohen Aufwand zur Verflüssigung braucht.
Auch der Einsatz von Methanolbrennstoffzellen ist denkbar, dann allerdings eher als Ersatz für herkömmliche, mit Diesel oder Erdgas betriebene Notstromaggregate bzw. Kraft-Wärme-Kopplung-Anlagen. Methanol ist preiswert und als flüssiger Kraftstoff leicht zu lagern. Die Herstellung aus Wasserstoff und Kohlendioxid ist möglich, aber aufwändig.
Weitere Inhalte folgen.
