Technologischer Hintergrund

PUMAc-Fx steht für ein Innovationsbündnis aus Industrie & Forschung zum Aufbau ultraleichter Wasserstoff-Gasturbinen-Aggregate in Aachen (Power Units Made in Aachen - Fuel X).

Die Begrenzung der globalen Erwärmung erfordert eine möglichst schnelle Umstellung der Energieversorgung in allen relevanten Bereichen (Industrie, private Haushalte, Verkehr). Fossile Energieträger müssen schnell und nachhaltig durch regenerative, grüne Energieträger ersetzt werden, um quer durch alle Sektoren eine emissionsfreie Industriegesellschaft aufzubauen. 

Eine zentrale Rolle bei dieser nahezu vollständigen Umstellung spielt die Speicherung großer Energiemengen, z.B. durch grün erzeugten Wasserstoff (Stichwort Power-to-Gas).
Um diesen Wasserstoff nutzbar zu machen, werden moderne, effiziente Technologien benötigt. Der Brennstoffzelle wird dabei die zentrale Rolle zugeschrieben. Sie weist eine hohe Effizienz auf (in modernen Fahrzeuganwendungen um 57% bei 25% Last und 43% bei Volllast (Kurtz, Sprik, Ainscough & Saur; 2016)) und arbeitet weitgehend klimaneutral.
Zwei Brennstoffzellentechnologien sind schon heute für stationäre bzw. mobile Anlagen kommerziell im Einsatz: Die Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) und Polymer Electrolytic Membrane Fuel Cell (PEMFC). Entsprechende Wirkungsgrade liegen mit bis zu ca. 65% auf dem Niveau moderner, gasturbinenbetriebener Combined Cycle Power Plants (CCPP), welche Ihre Vorteile jedoch v.a. im stationären Betrieb und bei großen Leistungsklassen ausspielen.

Für Automobilantriebssysteme verwenden Hersteller PEMFC. Diese weisen ein deutlich höheres Leistungsgewicht und -volumen auf (bis ca. 2kW/kg und 3.1kW/l (Toyota)) und gelten allgemein als robuster gegen Erschütterungen. Damit sind sie für den mobilen Einsatz – auch in Luftfahrtsystemen –besonders gut geeignet. Allerdings wird der hohe Wirkungsgrad nur bei geringen Leistungen (ca. ¼ der Volllast) und mit hochreinem Wasserstoff erreicht. Zudem wird das Leistungsgewicht von den Herstellern jeweils ohne Peripheriebauteile angegeben. Die max. Leistung kommerziell erhältlicher PEMFCs liegt im Bereich 200-300 kW.

Eine alternative Technologie zur Nutzung von Wasserstoff stellen Gasturbinen-Antriebe dar. Diese weisen im unteren Leistungsbereich zwar relativ geringe thermodynamische Wirkungsgrade auf, besitzen aber sehr hohe Leistungsdichten. Als Aggregat zur Stromerzeugung ausgeführt, können Leistungsdichten einfach umgerüsteter Systeme bei ca. 3.5-4.0 kW/kg, und damit bis zu 100% höher als die modernsten PEM-Brennstoffzellen, liegen. Bei Einsatzzeiten bis zu einer Stunde liegt das Systemgewicht (inkl. Tank und Treibstoff) eines 300kW Gasturbinenaggregates unterhalb oder auf gleichen Niveau wie bei modernen PEMFC.