Erfahrungen mit der MCFC-Brennstoffzelle in der Vergärungsanlage Leonberg. Manuel Lutz Leonberg, März 2010

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1 Erfahrungen mit der MCFC-Brennstoffzelle in der Vergärungsanlage Leonberg Manuel Lutz Leonberg, März 2010

2 STARKE MARKEN UND UNTERNEHMEN Marken Produkte Dieselmotoren und komplette Antriebssysteme Gasbetriebene Energiesysteme Dieselbetriebene Energiesysteme Brennstoffzellen Einspritzsysteme Gelenkwellen Folie 2 / MTU Onsite Energy /

3 GRÜNER HIGH-TECH STANDORT: BAYERN Seit 1990 Firmensitz in Ottobrunn bei München Ca. 100 Mitarbeiter Entwicklung, Produktion und Vertrieb von stationären Brennstoffzellenanlagen zur dezentralen Energieversorgung KWK (Cogeneration) und KWKK (Trigeneration) Leistungsklasse: ab 250 kw Folie 3 / MTU Onsite Energy /

4 ARTEN VON BRENNSTOFFZELLEN Anode Elektrolyt Kathode Hochtemperatur- Brennstoffzellen Keramische BZ Karbonat BZ H 2 H 2 O H 2 O 2- O 2 SOFC: 1000 C O CO 2 2 CO 2-3 MCFC: 650 C H CO 2 O 2 Niedertemperatur- Brennstoffzellen Phosphorsaure BZ Membran BZ Alkali BZ O H + 2 PAFC: 180 C 220 C H 2 H 2 O PEM: 30 C 80 C H 2 H 2 O O 2 OH - AFC: 25 C 35 C H2 O Folie 4 / MTU Onsite Energy /

5 HOTMODULE DAS SYSTEM MediaSupply Aufbereitung der Betriebsmedien Anlagensteuerung & Wechselrichter HotModule MCFC Brennstoffzelle Stromerzeugung Folie 5 / MTU Onsite Energy /

6 ZUKUNFTSTECHNOLOGIE SCHON HEUTE: DIE VORTEILE DES HOTMODULES Effizienz Qualität Sicherheit Elektrischer Wirkungsgrad 47 % (+/-2 %) Thermischer Wirkungsgrad bis zu 40 % Teillastunabhängigkeit KWK und KWKK 400 C Nutzwärme Schadstofffrei Geräuscharm Keine Vibrationen Keine beweglichen Teile Vielfalt einsetzbarer Brennstoffe Netzunabhängigkeit Hohe Verfügbarkeit Grundlastversorgung mit erneuerbarer Energie Folie 6 / MTU Onsite Energy /

7 ÜBERLEGENE EFFIZIENZ Elektrische Effizienz in % * Hochtemperatur- Brennstoffzelle HotModule * inkl. ORC (Organic Rankine Cycle) Niedertemperatur- Brennstoffzelle Gasmotor Micro-Gasturbine, Gasturbine, GuD-Kraftwerk 10 0, Kraftwerkleistung in MW Folie 7 / MTU Onsite Energy /

8 GEM. TA LUFT: LEDIGLICH ABLUFT KEINE RELEVANTEN ABGASVORSCHRIFTEN SO2 NOx CO Feinstaub Formaldehyd NMHC NH3 CO2 HotModule < 0,5 mg/m 3 n < 3 mg/m 3 n < 9 ppm < 1mg/m 3 n 0 ppm < 5 ppm < 2 ppm ca g/kwh* TA Luft 350 mg/m mg/m 3 n 150 ppm n/a 60 ppm 50 ppm 30 ppm n/a *HotModule KWK Anwendung Folie 8 / MTU Onsite Energy /

9 EMISSIONSWERTE IM VERGLEICH: SCHADSTOFFFREIE ABLUFT Emissionswerte in mg/mj NMHC NOx CO Verbrennungsmotor Kleine Gasturbine Gasturbine Brennstoffzelle * Nach TA Luft als Abluft klassifiziert, d.h. keine relevanten Abgasvorschriften für den HotModule-Systembetrieb. * Folie 9 / MTU Onsite Energy /

10 VORBILDLICHE CO 2 -BILANZ Energiemix in Deutschland HotModule elektrisch (kwh el ) HotModule KWK (kwh el+th ) g CO 2 /kwh Folie 10 / MTU Onsite Energy /

11 REFERENZANLAGEN T-Systems Rechenzentrum Kläranlage Krankenhaus München KWKK Brennstoff: Biomethan Betriebsstunden: Moosburg KWK Brennstoff: Klärgas aus kommunalen Abwässern Betriebsstunden: Bad Berka KWKK Brennstoff: Erdgas Betriebsstunden: Folie 11 / MTU Onsite Energy /

12 BIOGAS ALS BRENNSTOFF CO 2 -VERSTROMUNG Reaktionen in einer MCFC (HotModule) Interner CO2-Loop Anode produziert H 2 O, CO 2 (und Elektronen) Kathode verbraucht O 2, CO 2 (und Elektronen) Anode: H 2 + CO 2-3 Matrix: CO 3 2- Kathode: O 2 + CO 2 Rahmenbedingungen MCFC-Kathode: CO 2 -Mangel an der Kathode CO 2 verbessert die Kathodenreaktion CO 2 + H 2 O + 2e- CO e- Wirkungsgrad steigt mit CO 2 -Zugabe Experimente Experimente im im Vollmaßstab Vollmaßstab zeigen zeigen einen einen Gewinn Gewinn an an Wirkungsgrad Wirkungsgrad um um 2-5% 2-5% (absolut!) (absolut!) Folie 12 / MTU Onsite Energy /

13 VERGÄRUNGSANLAGE LEONBERG HISTORIE Inbetriebnahme: August 2006 Verstromung von Biogas aus der grünen Tonne mit einer Hochtemperatur Brennstoffzelle: weltweit erstes Projekt dieser Art HotModule: stabiler Betrieb bei Nennlast (ca. 240 kw elektrisch), Wirkungsgrade bis zu 48% erreicht (brutto) Betrieb gekennzeichnet von vielen Abschaltungen, verursacht durch periphere Komponenten: Gasreinigung, Analysegerät, Druckerhöhung Folie 13 / MTU Onsite Energy /

14 VERGÄRUNGSANLAGE LEONBERG FEHLERURSACHEN PERIPHERIE Biogasreinigung: Stillstand Kälteanlage und Schwefeldurchbrüche Gasanalytik: Abschaltungen aufgrund falscher Ausgabewerte Biogasvordruck: Störung der Verdichter wegen starken Druckschwankungen Wasseraufbereitung: Defekte an Druck- und Störungswächtern nach nach ca. ca Betriebsstunden: drastischer Abfall Abfall der der Zellspannungen, Weiterbetrieb der der Anlage Anlage nicht nicht mehr mehr möglich (Juli (Juli 2007) 2007) Folie 14 / MTU Onsite Energy /

15 VERGÄRUNGSANLAGE LEONBERG URSACHE DES ZELLSCHADENS Halogenierte Verbindungen Können im biologischen Abbau (Fermentation) entstehen z.b. Dichlormethan CH 2 Cl 2, Difluormethan CH 2 F 2 korrosiv und somit schädlich für den Zellstack Filterung von von halogenierten Verbindungen vor vor Eintritt Eintritt in in die die Brennstoffzelle notwendig! Folie 15 / MTU Onsite Energy /

16 MÖGLICHKEITEN DER BIOGASREINIGUNG Biogas Biogasfeinreinigung: Entfernung H 2 S < 200mg/kg Entfernung Siloxane <10 mg/m³ Reinstwasser Media Supply: Aufbereitung Prozessgas Bereitstellung Hilfsgase Heißgasfilter: Filterung von Halogenverbindungen Brennstoffzellenanlage: Regenerative und CO 2 -neutrale Strom und Wärmeerzeugung Folie 16 / MTU Onsite Energy /

17 HEIßGASFILTER Gaszufuhr mit Kontamination bei 550 C für Verbindungen wie Halogenkohlenwasserstoffe Zweistufige Abscheidung von Halogenen aus dem Brenngas Probenahmestellen zur Feststoffentnahme, Untersuchung mit standardisierten vor-ort Tests Anschlussmöglichkeit für Online-Sensor Gasaustritt ohne Schadgasverbindungen Folie 17 / MTU Onsite Energy /

18 VERGÄRUNGSANLAGE LEONBERG QUALIFIZIERUNG HEIßGASFILTER Inbetriebnahme November 2009 stabiler Betrieb bei mittlerer Last (80 ma) Betriebsstunden gezielte Zugabe von Halogen- und Schwefelverbindungen zum Brenngas Zugabe von deutlich erhöhten Schadstoffkonzentrationen Messkampagne in KW11 planmäßig beendet und Brennstoffzelle heruntergekühlt Heißgasfilter erfüllt erfüllt die die Erwartungen an an die die Funktionalität genaue Auswertungen des des Heißgasfilters und und des des Zellstapels am am Standort in in Ottobrunn hat hat noch noch zu zu erfolgen Folie 18 / MTU Onsite Energy /

19 VERGÄRUNGSANLAGE LEONBERG FAZIT Nachweis der grundsätzlichen Machbarkeit und eines hohen Anlagenwirkungsgrades im Rahmen des Pilotprojektes erbracht Biogas aus grüner Tonne ist starken Schwankungen in der Schadstoffbelastung unterlegen (schwankender Substrateintrag) Zusammenspiel der Brennstoffzellenanlage mit peripheren Komponenten optimierungsfähig Bei Bei Folgeprojekten im im Biogasbetrieb wird wird Heißgasfilter zur zur Standardkomponente werden Folie 19 / MTU Onsite Energy /

20 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT. Manuel Lutz Sales Manager Folie 20 / MTU Onsite Energy /

21 BRENNSTOFFZELLEN DAS FUNKTIONSPRINZIP Strom Anode Kathode Wasserstoff Sauerstoff Wasser Wärme Elektrolyt Folie 21 / MTU Onsite Energy /

22 BIOGENE GASE KLASSIFIZIERUNG FÜR DIE MCFC Gasart typische Verunreinigungen Besonderheiten Klassifizierung Klärgas kommunal industriell Siloxane, H 2 S anwendungsspezifisch keine Halogenverbindungen zu erwarten Fermentergas Abfall Grüne Tonne Deponiegas Siloxane, H 2 S, S, Halogene Siloxane, H 2 S, S, Halogene + HKW, Organometallverbindungen z.t. sehr starke Schwankungen in der Schadstoffbelastung 2 3 Fermentergas sonstige Energiepflanzen Gülle Siloxane, S-Verbindungen Siloxane, S-Verbindungen, P-Verbindungen konstante Verunreinigungen, geringe Schwankungen 1 1 Nahrungsmittelindustrie Siloxane, S-Verbindungen 1 1: bevorzugte Anwendung, 2: Einzelfallentscheidung, 3: hands off Folie 22 / MTU Onsite Energy /