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Nachhaltige Innovationen

So revolutionieren stationäre Brennstoffzellen die Stromversorgung

Prozessentwicklerin Havva Ana Göcmen schaut auf eine einzelne Brennstoffzelle, die sie mit ihren Händen nahe ans Gesicht hält.

Der Klimawandel stellt die Menschheit vor große Herausforderungen. Gleichzeitig steigt der Bedarf an elektrischer Energie weltweit. Bosch liefert mit seinen klimafreundlichen stationären Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, kurz SOFC) den Schlüssel zur Energiewende. Das SOFC-System soll 2024 auf den Markt kommen.

Globaler Stromhunger

Immer mehr Elektrofahrzeuge werden zugelassen. Die Digitalisierung schreitet in allen Lebensbereichen voran, im privaten Bereich wie in der Industrie. Internet der Dinge, Big Data, zunehmende Elektrifizierung der Gebäude zum Beispiel durch Wärmepumpen und die zunehmende Elektrifizierung der Industrie: Damit solche zukunftsweisenden Technologien mit hohem Strombedarf auch mit dem Schutz des Klimas zu vereinbaren sind, bedarf es einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Energieversorgung. Die Lösung kommt von Bosch mit der stationären Festoxid-Brennstoffzelle.

Sie erzeugt in einem elektrochemischen Prozess Strom und zusätzlich Wärme. Den Prototypen hat der britische Brennstoffzellenspezialist Ceres Power entwickelt. Bosch hat aus dieser revolutionären Innovation ein universell einsetzbares, leistungsstarkes und in Serie produzierbares System gemacht. Damit kann der globale Stromhunger nachhaltig gestillt werden. Am Industrialisierungsprozess des SOFC-Systems beteiligt ist die Bosch-Ingenieurin Havva Ana Göcmen.

Prozessentwicklerin Havva Ana Göcmen von Bosch steht vor einer SOFC-Anlage und schaut lächelnd zum Betrachter.

Es begeistert mich, das SOFC-System von der Musterphase bis zum fertigen Serienprodukt zu entwickeln.

Havva Ana Göcmen, Prozessentwicklerin

Gerüstet für eine klimafreundliche Zukunft

Die stationäre Festoxid-Brennstoffzelle wird im Idealfall mit Wasserstoff betrieben. Steht in der Zukunft ausreichend regenerativ erzeugter Wasserstoff zur Verfügung und sind Gasleitungen für dessen Transport gerüstet, wird das SOFC-System vollends zum Schlüssel der Energiewende: Der CO2-Ausstoß sinkt dann auf null. Eine Zukunftstechnologie, die schon in der Gegenwart funktioniert: Schon jetzt kann das SOFC-System auch mit Erdgas, Biogas oder einer Mischung mit Wasserstoff genutzt werden und ist damit anderen Stromlieferanten in puncto Umweltfreundlichkeit deutlich überlegen. Denn Stickoxide oder Partikel im Abgas fallen nicht an. Und beim Betrieb mit Erdgas sind die CO2-Emissionen um annähernd 40 Prozent geringer als beispielsweise im deutschen Strommix.

Blick auf eine SOFC-Anlage. Zu sehen ist der schwarze Korpus des Geräts inklusive des Screens mit einem Balkendiagramm sowie das Bosch-Logo.
Die stationäre Festoxid-Brennstoffzelle kann mit Erdgas, Biogas oder Wasserstoff – oder einem Gemisch – betrieben werden.

Preisgekröntes Konzept

Nahaufnahme, auf der zwei Hände in Einweghandschuhen eine einzelne Brennstoffzelle einer metallenen Schublade eines Sinterturms entnehmen, in dem die fertigen Brennstoffzellen bis zum nächsten Produktionsschritt aufbewahrt werden.
Bei der Fertigung der Brennstoffzellen fließt jahrzehntelange Erfahrung von Bosch in der Herstellung von keramischen Bauteilen ein.

Mit seinem kreativen Gesamtkonzept hat das SOFC-System im November 2020 den Innovationspreis der Deutschen Gaswirtschaft in der Kategorie „Innovative Produkte“ gewonnen. „Diese Technologie eignet sich hervorragend für den Aufbau eines dezentral organisierten Stromnetzes“, heißt es in der Begründung. Denn: Bei der elektrischen Effizienz ist die SOFC Spitzenreiter. Das System erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von mehr als 60 Prozent, bei zusätzlicher Nutzung der entstehenden Wärme einen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 85 Prozent. Zum Vergleich: Ein Kohlekraftwerk kommt auf 40 Prozent, ein Gaskraftwerk auf 45 Prozent. Durch die Vernetzung beliebig vieler Einzelgeräte lassen sich „virtuelle Kraftwerke“ bilden.

Sie können als Gesamtorganismus auf einen stark schwankenden Strombedarf reagieren und diesen bedienen. Dadurch eignen sich die SOFC-Anlagen beispielsweise für die Stromversorgung von kommerziellen Gebäuden, Industrieparks, Rechenzentren, Kliniken, Universitäten oder Ladestationen für E-Fahrzeuge, aber auch für moderne Stadtquartiere. Eine einzelne SOFC-Anlage erbringt eine Leistung von 10 kW und kann damit rechnerisch den gesamten Stromverbrauch von mehr als 20 Vier-Personen-Haushalten decken – sie liefert rund 87 000 kWh elektrische Energie pro Jahr. Das „Herz“ der SOFC-Anlage sind die leistungsstarken Brennstoffzellen made by Bosch.

> 400 000 Haushalte

mit je vier Personen können auf der Basis der geplanten Fertigungskapazität von rund 200 Megawatt pro Jahr mit Strom versorgt werden.

Die Highlights der SOFC-Anlage

Nahaufnahme einer Station der späteren Produktionslinie der SOFC mit Lichtspiegelungen. > 85 % Wirkungsgrad Gesamteffizienz bei Stromproduktionen mit gleichzeitiger Nutzung der Wärme
Bei der elektrischen Effizienz ist die SOFC-Anlage Spitzenreiter in der Energiewirtschaft.
Nahaufnahme einer Brennstoffzelle, die aus einer „Schublade“ halb herausgezogen ist. Unbegrenzt flexibel – der Betrieb der SOFC-Anlage ist mit Erdgas, Biogas, Wasserstoff und einem Gemisch möglich
Für die stationäre Brennstoffzelle können fossile und regenerative Treibstoffe genutzt werden – das macht sie universell einsetzbar.
Vorderansicht mehrerer miteinander verbundener SOFC-Geräte. 1 Megawatt leisten 100 SOFC-Anlagen im vernetzten Verbund
Die Menge des produzierten Stroms kann exakt auf den Energiebedarf vor Ort angepasst werden.
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SOFC-Produktionsstart für 2024 geplant

Bis zum geplanten Produktionsstart 2024 im Werk Bamberg gibt es noch viel zu tun. In den Industrialisierungsprozess fließt sowohl bei der Weiterentwicklung der Brennstoffzellen-Architektur als auch im Hinblick auf die späteren Produktionsprozesse das Know-how von Bosch aus verschiedenen Bereichen ein, die eine Fertigung im großen Maßstab erst möglich machen. Essentiell sind zum Beispiel die jahrzehntelangen Erfahrungen in der Herstellung von keramischen Bauteilen. Das Beschichten von Metall mit Keramik ist ein technisch sehr anspruchsvolles Verfahren, das beispielsweise bei Produkten wie Lambdasonden für Autos und Motorräder angewendet wird. Es wird nun für die Fertigung der metallgestützten Brennstoffzellen optimiert. Havva Ana Göcmen und ihr Team sorgen darüber hinaus dafür, dass die spätere Produktionslinie schlank und effizient gestaltet ist. Damit Bosch die SOFC-Systeme serienmäßig bauen und kostengünstig anbieten kann, investiert das Unternehmen einen dreistelligen Millionenbetrag.

Nahaufnahme einer Maschine in der späteren Produktionslinie. Hier werden die Brennstoffzellen mit Keramik beschichtet.
Die einzelnen Brennstoffzellen werden in einem technisch anspruchsvollen Verfahren mit Keramikpaste beschichtet.

Die Zukunft der Energieversorgung geht in Serie

Prozessentwicklerin Havva Ana Göcmen steht vor einem Monitor. Auf dem Screen zu sehen ist eine Brennstoffzelle. Es handelt sich um eine Station zur optischen Qualitätsprüfung.
Havva Ana Göcmen arbeitet an der Automatisierung von Prüfprozessen für die spätere SOFC-Serienproduktion.

Die Bosch-Ingenieurin Havva Ana Göcmen, die das Entwicklungsteam für einen Bereich des SOFC-Systems im Werk Bamberg leitet, schafft zurzeit die optimalen Voraussetzungen für die Serienfertigung der handtellergroßen Festoxid-Brennstoffzellen. Sie und ihr Team arbeiten zum Beispiel an kürzeren Taktzeiten und an der Automatisierung der Produktionsabläufe und Prüfprozesse. So können unter anderem Kosten gesenkt werden. In Bamberg werden die Brennstoffzellen künftig in großem Stil hergestellt und jeweils mehrere Hundert davon zu Stacks (deutsch: Stapeln) verbunden. Diese leistungsfähigen Stacks bilden das Herzstück der SOFC-Systeme. Die weiteren Produktionsschritte bis zum fertigen Gerät erfolgen anschließend an den Bosch-Standorten Homburg und Wernau.

Markus Ziegler, Technischer Leiter Fernwärmeversorgung der Stadtwerke Bamberg, steht am Zentralen Omnibusbahnhof in Bamberg in dem Raum, in dem die SOFC-Pilotanlage installiert ist.

Wasserstoff wird in den kommenden Jahren die Planungen der meisten Energieversorger in Deutschland beeinflussen.

Markus Ziegler, Stadtwerke Bamberg

Erste Pilotanlage in Bamberg

Am Zentralen Busbahnhof in Bamberg: Durch eine raumhohe Glaswand sieht man ins Innere des hell beleuchteten Raumes mit der SOFC-Pilotanlage. Markus Ziegler steht innen vor dem Gerät und bedient dessen Touchscreen.
Markus Ziegler von den Stadtwerken Bamberg kontrolliert am Zentralen Omnibusbahnhof Bamberg, ob die SOFC-Pilotanlage reibungslos funktioniert.

Um mit dem SOFC-System erste Erfahrungen zu sammeln, kooperiert Bosch unter anderem mit den Stadtwerken Bamberg. Am Zentralen Omnibusbahnhof (ZOB) in Bamberg wurde in der ehemaligen Fahrkartenverkaufsstelle ein Gerät installiert. Markus Ziegler, Technischer Leiter Fernwärmeversorgung, hat das Projekt in enger Absprache mit Bosch realisiert. Die Anwendung der SOFC am Busbahnhof soll erst der Anfang sein. Denn die stationären Brennstoffzellen sind leise und vibrationsarm, miteinander vernetzbar und dadurch ausfallsicher – betrieben mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff sehen die Stadtwerke Bamberg darin die Kraftwerke der Zukunft.

Seit Oktober 2020 wird von der Brennstoffzelle Strom ins öffentliche Netz eingespeist. Die entstehende Wärme nutzen die Betreiber der Bäckerei im ZOB, um die Räume zu heizen und Warmwasser zu bereiten. Bosch und die Stadtwerke Bamberg haben unterdessen schon den nächsten Schritt geplant: Auch im künftigen Wohn- und Kulturquartier Lagarde im Osten Bambergs, einem der größten innerstädtischen Infrastrukturprojekte Deutschlands, soll die stationäre Brennstoffzelle von Bosch einen wesentlichen Anteil der Stromversorgung übernehmen. Es dauert nicht mehr lange und aus Leuchtturmprojekten wie Bamberg werden standardisierte Energieversorgungssysteme ganz ohne CO2-Fußabdruck. Die Zukunft der Energieversorgung geht in Serie.

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