Projekt 18527/01

Einsatz erdgasversorgter Brennstoffzellen zur Energieversorgung und CO2-Düngung in Gewächshäusern – Machbarkeitsstudie

Projektdurchführung

Universität RostockInstitut für Energie- und UmwelttechnikLehrstuhl für Energieanlagen
Albert-Einstein-Str. 2
18051 Rostock

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die fortschrittliche Technologie der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle basiert auf Wasserstoff, der derzeit aus anderen Prozessen, wie der Reformierung von Erdgas, gewonnen werden muss. Ein Ziel des Vorhabens ist die Verwertung des bei der Reformierung anfallenden CO2, das gespeichert und kontrolliert der Gewächshausatmosphäre zugesetzt als Düngemittel zur Wachstumsstimulation der Pflanzen genutzt wird. Das H2 wird in einem Brennstoffzellen-BHKW für die Erzeugung von Strom und Wärme verwendet. Die beiden Energieträger werden zur Beleuchtung und Klimatisierung im Treibhaus genutzt. Die Realisierung der Grundidee erfordert ein auf die Wachstumsbedürfnisse der Pflanzen und die klimatischen Bedingungen abgestimmtes und alle Versorgungsaufgaben integrierendes technisches System. Es soll u. a. geklärt werden, ob ein CO2-neutraler Betrieb möglich ist und
wirtschaftlich realisiert werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn einem ersten Schritt wird der Stand der Technik der PEM Brennstoffzellentechnologie einschließlich der Reformierung von Erdgas aufgezeigt. Parallel dazu sind die biologischen Parameter der Pflanzenzucht, ins. Beleuchtungsstärke und CO2 Konzentration in der Gewächshausatmosphäre an Hand von Literaturquellen untersucht worden.
In einem weiteren Schritt sind die Bedarfe von Strom und Wärme sowie die für die Auslegung des integrierten Versorgungssystems erforderlichen quantitativen Parameter bestimmt worden. Hierzu wurde auf Unterlagen der KTBL, Fachgruppe Gartenbau und auf Informationen von einem großen Gartenbetrieb in Mecklenburg-Vorpommern zurückgegriffen.
Es wurde ein einfaches Modell für die Stoff- und Energieströme eines PEM-BHKW erstellt. Mit diesem Modell als Nukleus wurden die Anforderungen eines Gewächshauses mit 1000 m² für die Tomatenzucht und die Bedarfsdeckung mit einer Brennstoffzelle und einem Spitzenkessel auf Erdgasbasis über ein ganzes Jahr simuliert.
In einer Wirtschaftlichkeitsstudie wurden die Kostenpositionen von einem Brennstoffzellen-BHKW mit denen einer konventionellen Versorgungstechnologie verglichen, insb. die Kosten der Bereitstellung von CO2.


Ergebnisse und Diskussion

Als Ergebnis dieses Projektes hat sich gezeigt, dass die technische Realisierung eines BZ-BHKW möglich ist. Dabei wandelt die PEM-Zelle etwa 35 % der eingesetzten Primärenergie des Erdgases in Strom und 45 % in nutzbare Wärme um. In Kombination mit einem gasbeheizten Spitzenkessel können somit etwa 25 % des Jahreswärmebedarfs eines Gewächshauses mit dem BZ-BHKW gedeckt werden.
Die Untersuchungen haben weiter gezeigt, dass eine Nutzung des bei der Energieproduktion mittels Brennstoffzelle (BZ) anfallenden CO2 durch die Pflanzen möglich ist. Allerdings nicht vollständig, da auf-grund der Konstruktion und der Betriebsweise der Gewächshäuser sehr hohe Lüftungsverluste auftreten. Durch eine Optimierung der Lüftung würde sich der in Pflanzen aufgenommene Anteil von derzeit unter 10 % erhöhen lassen.
Die Simulation hat ergeben, dass es durch geeignete Wahl der spezifischen Leistung der BZ und des CO2-Pufferspeichers möglich ist, alles anfallende CO2 für die Begasung zu nutzen.
Die technischen Probleme liegen vorrangig in der Abtrennung des CO2 aus dem Reformierungsprozess. Neben dem hier untersuchten Systems Reformer+PEM könnte sich die SOFC mit Abtrennung des CO2 aus dem Abgas als Alternative anbieten.
Alle BZ-Systeme sind aber z. Z. noch nicht wirtschaftlich. Jedoch kann CO2 kostengünstiger als aus anderen Quellen verfügbar gemacht werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es wurden Vorträge im Rahmen folgender Veranstaltungen gehalten:
Wasserstoffinitiative MV
Hannover Industriemesse 2002
VDI-Vortragsreihe des Bezirksverbandes Rostock
Veröffentlichung geplant


Fazit

· BZ werden vorrausichtlich zunächst in stationären Anlagen für KWK zum Einsatz kommen und stellen für Gewächshäuser eine Versorgungsalternative dar.
· Die Möglichkeit, einen Teil des anfallenden CO2 in Pflanzen zu binden, stellt einen Beitrag zur Minderung des CO2-Ausstoßes dar.
· Die Technologie sollte im Labor- und Versuchsmaßstab weiter untersucht werden.