Brennstoffzellen-Systeme: Energiekonverter für das 21. Jahrhundert

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1 Brennstoffzellen-Systeme: Energiekonverter für das 21. Jahrhundert Dipl.-Ing. Dr. Günter R. Simader E.V.A. - Energieverwertungsagentur Linz, 11. Oktober 1999

2 Inhalt des Referates Allgemeine Aspekte der Brennstoffzellen-Technologie Vorstellung der verschiedenen Brennstoffzellen-Typen Brennstoffzellen-Systeme Anforderungen an den Brennstoff (Reformierungsprozesse) Entwicklungsstand Basissystem einer Brennstoffzellen-Anlage Diskussion der Produktlinien Mini-BHKWs BHKWs Kombinierte Brennstoffzellen- und Gasturbinen-Anlagen vorwiegend zur reinen Stromerzeugung Zusammenfassung, Ausblick 2

3 Vorstellung der Brennstoffzellen- Technologie 3

4 Charakteristika von Brennstoffzellen: Pros and Cons Vorteile: Hoher elektrischer und thermischer Wirkungsgrad gutes Teillastverhalten äußerst geringe Schadstoffemissionen lange Betriebsperioden zwischen auftretenden Störfällen keine rotierende Teile in den Hauptaggregaten geringe Schallemissionen Nachteile: Zum Teil noch zu niedrige bzw. Unsicherheiten bezüglich der tatsächlichen Lebensdauer mit der Lebensdauer abnehmender Wirkungsgrad hohe spezifische Investitionskosten geringer Entwicklungsstatus noch zu geringe demonstrierte Verfügbarkeit wenige Herstellerfirmen 4

5 Entwicklungsstand: RTD Chain RTD Process Resource and technology assessment R&D Pilot plant Demonstration proj ects with supplier s and real users Dissemi nation and promotion to users Commercial isati on to users in competitive markets RTD - Research, Technology, Dissemination R&D - Research and Development 5

6 Einteilung der verschiedenen Brennstoffzellen-Typen Type Elektrolyt Betriebstemperatur Charakteristika Anwendungen AFC alkalische Brennstoffzelle Kalilauge (KOH) C Hoher energetischer Wirkungsgrad, Unverträglichkeit gegenüber CO 2 Weltraum (space shuttle), Fahrzeuge PEFC Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle Polymerelektrolyt (H + ) Phosphorsäure (H + ) C Hohe Leistungsdichten Unverträglichkeit gegenüber CO (< 100 ppm) C Limitierter energetischer Wirkungsgrad, Unverträglichkeit gegenüber CO (< 1,5 Vol.-%) Fahrzeuge (PKWs, Busse, kleine Spezialfahrzeuge), Mini-BHKWs, BHKWs BHKWs (Fahrzeuge) MCFC Karbonatschmelze Brennstoffzelle Karbonatschmelzen (CO 3 2- ) C Komplexes BOP, Korrosionsprobleme BHKWs, industrielle KWK-Anlagen SOFC Oxidkeramische Brennstoffzelle Keramische Schichten (O 2- ) C Hoher Systemwirkungsgrad, F&E- Aktivitäten zur Absenkung der Betriebstemperatur erforderlich! Mini-BHKWs, BHKWs, Kombi-Kraftwerke mit Gasturbine DMFC Direkte Methanol- Brennstoffzelle Polymerelektrolyt (H*) C Hoher Systemwirkungsgrad, Unverträglichkeit gegenüber den Oxidationsprodukten anodenseitig Fahrzeuge 6

7 Reformierungsprozesse I Für den Betrieb von Brennstoffzellen wird Wasserstoff benötigt, der synthetisch aus fossilen bzw. erneuerbaren Energieträgern erzeugt wird (Ausnahme DMFC). Für stationäre Brennstoffzellen-Anlagen wird derzeit vorwiegend Erdgas ( fuel of choice ) eingesetzt, der über Reformierungs-/Konvertierungseinheiten zu sogenanntem fossilen Wasserstoff umgewandelt wird. F&E Aktivitäten zur Verwendung von Kohle waren bis dato nicht erfolgreich. Längerfristige Übergangsszenarien inkludieren sogenannten solaren Wasserstoff, der über Energie aus erneuerbaren Energieträgern wie Wind, PV, Wasserkraft und nachgeschalteten Elektrolyseanlagen erzeugt wird und Wasserstoff aus fester Biomasse bzw. Biotreibstoffen ( sogenannten Bio-Wasserstoff ). 7

8 Reformierungsprozesse II Entschwefelung: ZnO + H 2 S ZnS + H 2 O Reaktionen im Pre-Reformer und Reformer: CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO Reaktionen im Shift-Konverter ( Shifter ): CO + H 2 O CO 2 + H 2 Reaktionen im PrOx-Konverter: CO + ½ O 2 CO 2 8

9 Basissystem einer Brennstoffzellen-Anlage B. PAFC ERDGAS LUFT ABGAS ABLUFT WÄRMEÜBERTRAGER GASAUF- BE R EIT UNG BR E NNER ABLUFT PROZESS- GAS RESTGAS ZELLSTAPEL GLEICH- STROM INVERTER WECHSEL STROM Beispiel für eine erdgasbetriebene Brennstoffzellen KWK-Anlage KWK - Kraft-Wärme-Kopplung WÄRME WÄRME STROM 9

10 Produktlinien für Brennstoffzellen- Systeme Stationäre Anwendungen Mikro-/Mini-BHKWs (1 bis 30 kw el Leistung) BHKWs (30 bis kw el Leistung) Kombianlagen aus Brennstoffzellen und Gasturbinen (5 bis 60 MW el ) Mobile Anwendungen Personenkraftwagen (2 x 25 kw stacks) Busse (stacks mit Gesamtleistung bis 120 kw) Schiffe (inkl. U-Boote) mit sehr unterschiedlicher Leistung Consumer Anwendungen z. B. für Notebooks, Mobiltelefonen, Camcorder, etc. 10

11 Brennstoffzellen als dezentrale Energiekonverter Central Plant Step-Up Transformer SOFC PEFC Distribution Substation SOFC-GT MCFC Receiving Station Distribution Sub station Distribution Sub station PEFC SOFC PAFC PEFC UPS PEFC SOFC PEFC PEAKER COMMERCIAL PEFC, SOFC Furnace PEFC Automotive SOFC-GT MCFC PEFC SOFC PAFC RES IDENTIAL I NDUSTR IAL COMMERCIAL PAFC - Phosphorsaure Brennstoffzellen, PEFC - Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle SOFC - Oxidkeramische Brennstoffzelle, SOFC-GT - Oxidkeramische Brennstoffzelle in Kombination mit einer Gasturbine MCFC - Karbonatschmelze Brennstoffzelle, UPS - Uninterruptible Power Supply 11

12 BHKW-Anlagen I Spezifikationen der 30 bis 5000 kw el PAFC Systeme Elektrischer Wirkungsgrad: 40 % (UHW *) thermischer Wirkungsgrad: % (UHW *) Brennstoff: Erdgas Verfügbarkeit: 85 % (für ONSI Anlagen) Leistungsdichte: 0,07-0,08 m 2 /kw Anzahl ausgelieferter Anlagen: Weltweit ca. 300 UHW = Unterer Heizwert 200 kw el Anlage der Firma ONSI 12

13 BHKW-Anlagen II Die Demonstrationsanlagen haben folgende Resultate gebracht: Die Wirkungsgrade (Vollast und Teillast) konnten bestätigt werden, weiters die niedrigen Emissionswerte der Spurengase (NO x, CO und Kohlenwasserstoffe) geringe Lärmentwicklung lange Betriebszeiten zwischen auftretenden Störfällen (Wenn Probleme auftraten, dann vorwiegend in den Nebenaggregaten und nicht im stack ) gute Stromqualität (hohe Verfügbarkeit 90 %, THD < 3 %) Hohe spezifische Investitionskosten (ATS ,-/kW el inkl. Aufbau, Anschluß und Inbetriebnahme). Vorausgesetzt, dass ein Investor Amortisationszeiten von 4 bis 6 Jahren akzeptiert, müssen die Kosten um einen Faktor 4-5 gesenkt werden (optimale Nutzung der Produktströme vorausgesetzt). Aufgrund inherenter Eigenschaften der phosphorsauren Brennstoffzelle muß diese ganzjährig betrieben werden (inflexibler Betrieb) Qualität und Quantität der thermischen Koppelprodukte Wenige Herstellerfirmen, schlechtes Supportsystem Unsicherheiten bezüglich der tatsächlichen Lebensdauer 13

14 BHKW-Anlagen III Emissionswerte einer Brennstoffzelle, verglichen mit einem Gasmotor 600 mg/nm³ trockenes Abgas, 5% Sauerstoff Grenzwerte LRV-K 150 Emissionen eines Gasmotors "Stand der Technik" ÖKK-Auflage für Verbrennungskraftmotoren < 800 kw 9,3 NOx CO 9,6 Emissionen einer PC25-C 14

15 BHKW-Anlagen IV 0, Brennstoffnutzungsgrad 0,8 0,7 0,6 0, Rücklauftemperatur [ C] 0, Vorlauftemperatur [ C] 15

16 BHKW-Anlagen V Evolutionsmatrix der Brennstoffzellen-Typen (vergl. mit PAFC) PEFC MCFC SOFC Investitionskosten = (+) 1 = (+) 2-3 Elektrischer = (-) Wirkungsgrad Qualität der thermischen Koppelprodukte Lebensdauer? - + Flexible + = (-) 5 = (-) 5 Betriebsweise F&E Potential Aufwendiges Reforming und Turbokompressor erforderlich 2 Ni Materialien und komplexes BOP 3 vorausgesetzt, dass billige Fertigungsverfahren für die BZ- Röhren gefunden werden 4 Vereinfachte Reformierung 5 Thermische Zyklen können nur bedingt gefahren werden 6 Synergien bei den F&E Aktivitäten von mobilen Systemen 7 In den letzten 25 Jahre sind keine wesentlichen Fortschritte hin zu kommerziellen Systemen erzielt worden. 8 Reduktion der Betriebstemperatu Potential: + positiv, - negativ 16

17 Mini-BHKW Anlagen I Dynamische Entwicklung: PEFC als auch SOFC Leistungsgrößen derartiger Anlagen: 1 bis 10 kw el, 5 bis 15 kw th Entwicklungsstand: Pilotanlagen (ca. 5 Jahre alt) vorwiegend US-Entwicklungen, die z.t. auf europäische Verhältnisse adaptiert werden müssen (insbes. Wärmeauskopplung) Einsatz ist vorwiegend für Einbzw. Mehrfamilienhäuser, Dienstleistungsanbieter und Gewerbebetriebe konzipiert Luft Elektronische Netzkopplung 5 Wasser Erdgas Brauch - wasser Heizung 3 1. Zellenstapel 2. Erdgas Reform er & Brenner für Anfahren und Zusatzwärme 3. Abgas 4. Gash eizsystem 5. DC/AC Wech selrichter & Regelung 6. Optional: Brenner für thermische Spitzenleistung Courtesy of Sulzer Hexis AG 17

18 Mini-BHKW Anlagen II Tolerierbare Mehrkosten für Brennstoffzellen-Heizgeräte Mehrkosten [ATS] durchschnittlicher Haushalt (2,5 Personen, kwhel) durchschnittlicher Haushalt (4 Personen, kwhel) Kleiner Hotelbetrieb ( kwhel, davon kwhel mit 3 kwel BZ) Laufzeit [Jahre] Martkteintrittsszenario für ein Brennstoffzellen Mini-BHKW: Anwendungsfall für einen durchschnittlichen Haushalt mit 2,5 bzw. 4 Personen und ein kleines Hotel. Das Mini-BHKW wird wärmegeführt betrieben. Die Brennstoffzelle ist gegebenenfalls mit einer Speicherbatterie erweitert, um den zeitlich unterschiedlichen auftretenden elektrischen und thermischen Energiebedarf zu decken. 18

19 Kombianlagen von Brennstoffzelle und Gasturbine I Elektr isch er Wirkungsgr ad [%] SOFC SOFC-GT GUD-Kraftwerk 50 PAFC Gasmotor Dieselmotor Dampfkraftwerk Industrie- Gasturbine ,1 0, Kraftwerksleistung [MW] 19

20 Kombianlagen von Brennstoffzelle und Gasturbine II 1 world-wide Player : Siemens - Westinghouse mit dem SureCell Konzept (röhrenförmige Brennstoffzelle) mit Leistungsgrößen zwischen 5 und 60 MW el Geringer Entwicklungsstatus: Scaling-up, derzeit sind Pilotanlagen mit 100 kw el Leistung realisiert Anwendungen für EVUs, IPPs und Industrieanwendungen Generell gilt: Boom der GuD-Anlagen wird auch weiterhin anhalten, damit sind auch die Marktaussichten als allgemein gut einzustufen. Marktanforderungen für Neuanlagen! geringe Investitionskosten hoher return on investment hohe Verfügbarkeit Courtesy of Siemens-Westinghouse 20

21 Zusammenfassung Brennstoffzellen sind für drei Produktlinien (Mini-BHKW, BHKW und dezentrale Kombianlagen mit Gasturbine) im stationären Bereich entwickelt worden. Vorteile sind gegeben hinsichtlich Wirkungsgrad, Emissionen und Verfügbarkeit harte Konkurrenzsituation gegenüber konventionellen Systemen (Gasmotoren, Gasturbinen und GuD-Kraftwerken) hinsichtlich Investitionskosten, Support und Entwicklungsstatus (Pilot- und Demonstrationsanlagen, keine kommerziellen Anlagen!) Rahmenbedingungen sind in den USA für Brennstoffzellen z.t. besser als in Europa (z. B. für Anwendungen die eine besonders hohe Netzqualität und Verfügbarkeit erfordern, allerdings auch niedrigere Energiepreise!) 21

22 Ausblick Brennstoffzellen als effiziente und saubere Energiekonverter sind weltweit anerkannt! Brennstoffzellen werden derzeit mit fossilen Brennstoffen betrieben. Mittel- bis langfristige Szenarien, die einen verstärkten Einsatz von erneuerbaren Energietechnologien und synthetischen Energieträgern zum Ziel haben, stellen für Brennstoffzellen verbesserte Rahmenbedingungen dar. Die Liberalisierung der Energiemärkte bedingt für Neuentwicklungen in den nächsten Jahren einen erschwerten Marktzugang Aufgrund des langfristigen Entwicklungshorizonts der Brennstoffzellen-Technologie bedürfen diese Förderprogrammen (DOE, EPRI, GRI, New Sunshine Programme, 5. Rahmenprogramm der EU, etc.) 22