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E N E R G I E F O R U M

E N E R G I E F O R U M E n e r g i e v e r s o r g u n g Bild 2 Anwendungsgebiete und spezifische Kosten für Brennstoffzellen-Systeme (Stand: 2000) [12]. Bild: Forschungszentrum Jülich Bild 3 Fördermittel des Bundes für Entwicklungen in den Bereichen Brennstoffzellen und Wasserstoff (Daten aus [14] über statista.de). Bild: GWI Von Mikro-KWK bis BHKW Brennstoffzellen werden als stationäre Mikro-KWK in Haushalten eingesetzt. Entscheidend für den Markteintritt waren nicht zuletzt Demonstrationsprojekte wie „Ene.field“ (2012 bis 2017), das den europaweiten Rollout der Mikro-BHKW mit Brennstoffzellen zum Ziel hatte [6]. Unterstützt durch Förderprogramme, wie sie zum Beispiel die KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau) anbietet, werden Brennstoffzellen zunehmend im Wohnsektor genutzt [7]. Die Brennstoffzelle wird bei der Heizungsmodernisierung oder im Neubau in Kombination mit einem Gas-Brennwertgerät und einem thermischen Speicher installiert, um sowohl die Grundlast als auch die Spitzenlasten zu jeder Zeit optimal bedienen zu können (Bild 1, links). Einige Hersteller bieten kompakte Geräte an, in denen die Brennstoffzellen mit dem thermischen Speicher integriert sind. Zukünftig sind neben der wärmegeführten Betriebsweise, wie sie im Wohnsektor vorrangig realisiert wird, neue, flexible Betriebsstrategien erforderlich. Am Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. (GWI) werden dazu aktuell Versuche zur Kombination von Mikro-KWK und Batteriespeichern durchgeführt. In dem Projekt „KWK plus Speicher“ (2017 bis 2020) werden auch Brennstoffzellen auf dem Prüfstand untersucht (Bild 1, rechts) [8]. Neben kleineren Systemen im häus - lichen Bereich sind Brennstoffzellen mit elektrischen Leistungen von 100 kW bis zu mehreren Megawatt am Markt ver - fügbar. Internationale Hersteller bieten zur Energieversorgung von Quartieren, Gewerbe- oder Industriebetrieben verschiedene Technologien wie Phosphorsäure- (PAFC), Schmelzkarbonat- (MCFC) oder Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) an. Die PAFC bietet den Vorteil der effizienten und emissionsarmen Strom- und Wärmeerzeugung. Sie benötigt dazu eine Versorgung mit Wasserstoff oder wasserstoffreichem Gas. Die SOFC ist als Hochtemperatur-BZ besonders für die Industrie und den GHD-Sektor geeignet, wo Strom und Wärme bei hohen Temperaturen benötigt werden. Auch in Quartieren liegen Energiebedarfe vor, die bisher ungenutzte Potenziale für SOFC-Systeme aufweisen. Um die Flexibilität und Effizienz der SOFC zu steigern, entwickeln Hersteller wie Siemens-Westinghouse, Rolls-Royce Fuel Cell Systems oder Mitsubishi Hitachi Power Systems sogenannte Hybrid-Systeme, die aus einer SOFC mit nachgeschalteter Mikro-Gasturbine bestehen [9]. Seit 2016 werden beispielsweise mehrere Demonstratoren des Hybrid-Systems von Mitsubishi mit einer elektrischen Leistung um 250 kW an verschiedenen Standorten in Japan betrieben [10]. Perspektivisch ist die Weiterentwicklung zum Triple Combined Cycle (TCC) geplant, der die Erweiterung um eine Dampfturbine darstellt. So sollen weitere Nutzungspfade und Flexibilitäten erschlossen und die Effizienz gesteigert werden [11]. Die Komplexität der Flexibilisierungsmaßnahmen und die Kosten - intensivität der Technologien sind allerdings Gründe für die bislang nur geringe Marktdurchdringung der PAFC und SOFC sowie des Hybrid-Systems und des TCC. So lagen die spezifischen Kosten für die stationäre Anwendung dieser Systeme laut einer Studie des Forschungszentrums Jülich im Jahr 2000 deutlich über denen der alternativen BZ-BHKW (Bild 2) [12]. Eine aktuelle Studie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) prognostiziert für den speziellen Fall der Hybrid-SOFC-Systeme im elektrischen Leistungsbereich von 100 bis 200 kW eine Markteinführung für das Jahr 2030 [13]. Von der Markteinfüh- 36 BWK BD. 71 (2019) NR. 12

E n e r g i e v e r s o r g u n g E N E R G I E F O R U M rung bis zum Jahr 2050 wird nach [13] eine Reduktion der spezifischen Investitionskosten um rund 22 % von 1 800 auf 1 400 €/kW erwartet, was unter Berücksichtigung der Kommerzialisierung in der Größenordnung mit den Ergebnissen des Forschungszentrums Jülich aus dem Jahr 2000 übereinstimmt. Trotz der vielfältigen Nutzungspfade und Vorteile stehen BZ-BHKW aktuell noch verschiedenen Hemmnissen gegenüber. Sowohl die systemischen als auch die wirtschaftlichen Anforderungen an die Technologien steigen in dem zunehmend gekoppelten Energieversorgungssystem. Neue Betriebskonzepte und Marktmodelle und die Flexibilisierung durch ergänzende Systemkomponenten, wie zum Beispiel Absorptionskältemaschinen (AKM), sind für die Erschließung der Anwendungsbereiche und die Marktdurchdringung erforderlich. Weiterentwicklungen und Demonstrationsprojekte sind notwendig, um die Investitionsentscheidungen in innovative BZ-Systeme zu unterstützen. Daher fördern die EU, die Bundesregierung und die Landesregierungen Entwicklungen im Bereich „Brennstoffzellen und Wasserstoff“. So wurden im Jahr 2018 beispielsweise 24 Mio. € vom Bund zur Verfügung gestellt, 2017 waren es knapp 27 Mio. € (Bild 3) [14]. Förderung für neue Forschungsinfrastrukturen Die Landesregierung NRW und die EU fördern die umsetzungsorientierte Forschung mit dem Wettbewerb „Forschungsinfrastrukturen“. Dieser ging 2018 in die fünfte Runde. Nach der Empfehlung des Auswahlgremiums im März 2019 stand fest: Das Verbundprojekt „KWK. NRW 4.0“ unter dem Dach des Virtuellen Instituts | KWK.NRW (VI | KWK.NRW) ist einer der Gewinner. Nun wurde die Bewilligung abgeschlossen, und die zwei Teilprojekte „Demo Hybrid-SOFC“ und „iFlex KWK 4.0“ sind gestartet. Für das Verbundprojekt werden insgesamt rund 9 Mio. € aus Mitteln des Operationellen Programms EFRE NRW 2014 bis 2020 und des Landes Nordrhein-Westfalen bereitgestellt. Koordiniert wird die Förderung vom Projektträger Jülich im Auftrag des Wirtschaftsministeriums. Bild 4 Das Virtuelle Institut | KWK. NRW als Schnittstelle zwischen Energiewirtschaft, -forschung und -politik. Bild: GWI Mit KWK.NRW 4.0 geht das VI | KWK.NRW in die Verlängerung. Dabei steht der Begriff „virtuell“ dafür, dass keine neuen materiellen Strukturen aufgebaut, sondern die vorhandenen Kompetenzen aus der Energieforschung und -wirtschaft in NRW vernetzt werden. So wird die gute F&E-Infrastruktur genutzt und eine Kooperation mit höchster Expertise zu den landesspezifischen Aufgaben rund um die KWK geschaffen. Das VI | KWK.NRW wurde 2014 – unterstützt durch das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes NRW – gegründet und entwickelt sich seitdem weiter. Mit dem nun gestarteten Verbundprojekt wächst der Verbund um einen weiteren Partner, den Lehrstuhl für Energiewirtschaft (EWL) der Universität Duisburg-Essen. Forschungspartner des Virtuellen Instituts sind außerdem das GWI (Koordinator), die Lehrstühle Energietechnik (LET) und Umweltverfahrensund Anlagentechnik (LUAT) der Universität Duisburg-Essen und das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT). Zentrales Ziel des VI | KWK.NRW ist die Steigerung der Effizienz und Flexibilität der Energieversorgung des Landes NRW durch die Erschließung der KWK- Potenziale. Beides ist zwingend erforderlich für ein nachhaltiges und sicheres Energiesystem, in dem der EE-Anteil steigt. In den Vorgängerprojekten „Roadmap | KWK.NRW“ (2014 bis 2016) und „Transfer4.0@KWK.NRW“ (2016 bis 2017) wurden dazu bereits die Anwen- dungs- und CO 2 -Minderungspotenziale verschiedener KWK-Systeme analysiert und eine landesspezifische KWK-Forschungsagenda entwickelt. Neben technologischen und ökologischen Aspekten werden die (regionalen) energiepolitischen und -wirtschaftlichen Rahmenbedingungen untersucht und infrastrukturelle und ressourcenbedingte Einflüsse auf den Einsatz der KWK einbezogen. Im VI | KWK.NRW nimmt der Wissens- und Technologietransfer im etablierten Branchennetzwerk daher eine zentrale Rolle ein (Bild 4). Ein wichtiges Element sind die Expertenworkshops, in denen Herausforderungen und Hemmnisse identifiziert und technische und rechtliche Voraussetzungen für zukunftsfähige KWK-Konzepte definiert werden. So schafft das VI | KWK.NRW eine Plattform für den Dialog zwischen Wirtschaft, Wissenschaft und Politik. Aktuelle Projekte des VI | KWK.NRW Mit den Projekten Demo Hybrid- SOFC und iFlex KWK 4.0 wird nun die Entwicklung flexibler KWK-Konzepte für NRW vorangetrieben. Die ökologische und ökonomische Analyse neuer Versorgungskonzepte, die Erweiterung der Forschungsinfrastruktur zur Demonstration innovativer Brennstoffzellen und der Technologietransfer in die Energiewirtschaft stehen dabei im Fokus. Im Forschungsprojekt iFlex KWK 4.0 entwickeln die fünf Partner flexible BWK BD. 71 (2019) NR. 12 37

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