Brennstoffzellen-Kraftwerke für dezentrale KWK-Anwendungen

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1 VGB PowerTech 3 l 2015 Brennstoffzellen-Kraftwerke für dezentrale KWK-Anwendungen Brennstoffzellen-Kraftwerke für dezentrale KWK-Anwendungen Martin Ohmer und Katja Mattner Abstract Fuel cell power plants for decentralised CHP applications Fuel cells are the most efficient technology to convert chemical energy into electricity and heat and thus they could have a major impact on reducing fuel consumption, CO 2 and other emissions (NO x, SO x and particulate matter). Fired with natural or biogas and operated with an efficiency of up to 49 % a significant reduction of fuel costs can be achieved in decentralised applications. Combined heat and power (CHP) configurations add value for a wide range of industrial applications. The exhaust heat of approximately 400 C can be utilised for heating purposes and the production of steam. Besides, it can be also fed directly to adsorption cooling systems. With more than 110 fuel cell power plants operating worldwide, this technology is a serious alternative to conventional gas turbines or gas engines. l Einleitung Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zählt wegen ihrer guten Ausnutzung der Brennstoffe zu den effizientesten energetischen Umwandlungskonzepten. KWK-Technologien sind der Lage den weiteren Ausbau der fluktuierenden erneuerbaren Stromerzeugung aus Wind und Sonne durch dezentrale Grundlast zu unterstützen. Die KWK stellt heute rund 96 Mrd. kwh Strom (netto) bereit und hat einen Anteil von 16,2 % an der gesamten Nettostromerzeugung in Deutschland, was bereits heute gegenüber der ungekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung jährlich rund 56 Mio. t CO 2 einspart. [1] Brennstoffzellen sind eine innovative und zukunftsfähige Technologie zur Gewinnung von Strom und Wärme und bilden damit ein wichtiges Teilstück im Umbau des deutschen Energiesystems. Kennzeichnend ist, dass die Technik hocheffizient und klimaschonend arbeitet und damit mehrere energiepolitische Kernziele auf sich vereint. [3] Die heute in der dezentralen Energieerzeugung am häufigsten angewendeten Technologien sind der Verbrennungsmotor und die Gasturbine. Die Brennstoffzelle als innovative, effiziente und umweltfreundlichste KWK-Technologie hat im internationalen Maßstab seit Langem die Marktreife erreicht. Wesentlich hat die USamerikanische Firma FCE (FuelCell Energy Inc., früher ERC, energy research corporation) die MCFC-Technologie seit den 1980er Jahren entwickelt. Der Durchbruch war die interne Reformierung der MCFC, die so genannte Direct FuelCell (DFC ), welche heute im Leistungsbereich von 250 kw el bis 2,8 MW el angeboten wird. Einen Höhepunkte stellt die Installation eine 59 MW el -Brennstoffzellen-Parks in Süd korea dar, der sich aus 21 Modulen mit je 2.8 MW el (DFC 3000 EU) zusammensetzt und in nur einem Jahr Bauzeit errichtet wurde. Die bereits in Asien und USA erprobten Anlagen im MW-Bereich sind mittlerweile unter ökonomischen Gesichtspunkten anderen KWK-Technologien absolut ebenbürtig, sofern dem ökologischen Aspekt Rechnung getragen wird (Bild 1). Die FuelCell Energy Solutions GmbH (FCES) mit Hauptsitz in Dresden produziert und wartet diese markterprobten Brennstoffzellenkraftwerke unter langjährigen Full-Service-Verträgen in Europa. Hohe Nachfrage besteht vor allem für Installationsgrößen von 400 kw el und 1,4 MW el als Grundlastversorgung für Strom und Wärme verschiedener Industriezweige, wie beispielsweise Lebensmittel-, Pharma- und Chemische Industrie sowie Rechenzentren. Funktionsweise und Aufbau der MCFC Dieser Brennstoffzellentyp trägt seinen Namen aufgrund seines Elektrolyten, der Autoren Dipl.-Ing. (BA) Martin Ohmer Business Development FuelCell Energy Solutions GmbH Dresden/Deutschland B.Sc. Katja Mattner Senior Sales Associate FuelCell Energy Solutions GmbH Dresden/Deutschland Bild MW-Brennstoffzellenpark in Südkorea. 59

2 Brennstoffzellen-Kraftwerke für dezentrale KWK-Anwendungen VGB PowerTech 3 l 2015 Einsatzbereiche Bild 2. Brennstoffzelle; Übersicht der Funktionskreise. aus mehreren Karbonaten besteht. Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) wird bei einer Betriebstemperatur von etwa 650 C betrieben. Durch die interne Reformierung des verwendeten Brennstoffes und die Möglichkeit einer Hochtemperatur-Abwärmenutzung erreicht die Anlage einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad. Die Anlage lässt sich sowohl mit konventionellen als auch mit regenerativen, methanhaltigen Brenngasen betrieben und benötigt keinen Wasserstoff. Elektrochemische Prozesse ermöglichen nicht nur höchste Wirkungsgrade, sie halten auch die Emissionen auf einem vorbildlich niedrigen Niveau. Durch die direkte Umwandlung entstehen keine Schadstoffe wie Stickoxide (NO x ), die Smog verursachen, oder Schwefeloxide (SO x ), die zu saurem Regen beitragen. Die Abluft des Brennstoffzellen-Moduls besteht im Wesentlichen aus Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxid und Restsauerstoff. Mit der gleichen Menge Gas wird bis zu 30 % mehr elektrische Energie erzeugt als mit konventionellen Kraftwerken in vergleichbarer Größenklasse. Die Brennstoffzellenanlage ist modular aufgebaut. Sie besteht aus mehreren Komponenten, die alle Funktionen des Systems integrieren. Das gesamte System gliedert sich in drei Funktionskreise. Jeder Funktionskreis beinhaltet eine oder mehrere Steuereinheiten ( B i l d 2 ). Vorgeschaltete Aufbereitung der Betriebsmedien Der Funktionskreis der Vorgeschalteten Aufbereitung (Bild 2, grau gekennzeichnet) umfasst alle Komponenten, die für die Bereitstellung und Aufbereitung der Betriebsmedien benötigt werden, z.b. die Hilfsgasstation, die Gasreinigung und die Wasseraufbereitung. Ein Teil der Komponenten und die benötigten Regelkreise sind im Media-Supply untergebracht. Im Media-Supply wird das Gas für die interne Reformierung vorbereitet, indem es erhitzt und befeuchtet wird. Zentrales Brennstoffzellen-Modul Das Zentrale Brennstoffzellen-Modul (Bild 2, grün gekennzeichnet) enthält den Brennstoffzellenstapel, in dem der elektro-chemische Prozess stattfindet und der Energiegehalt des Brenngases in Strom und Wärme umgesetzt wird. Um Strom zu erzeugen, benötigt die Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff. Den Wasserstoff kann die Zelle mithilfe der internen Reformierung aus dem Brenngas selbst erzeugen. Elektrotechnische Anbindung (Inverter) In der Elektrotechnischen Anbindung (Inverter, Bild 2, blau gekennzeichnet) wird der Gleichstrom aus der Brennstoffzelle in Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Netz oder das Objektnetz eingespeist. Tab. 1. Emissionswerte im zu Vergleich TA Luft. Deutschland hat sich im Rahmen der Energiewende ambitionierte Ziele zur Steigerung der Energieeffizienz gesetzt. Neue Technologien sind der Schlüssel, um auch ehrgeizige Ziele in der Energiepolitik zu erreichen. Energieeffiziente Technologien helfen bei der CO 2 -Vermeidung und verringern die Energiekosten. Effizienz und Emissionsverhalten wurden trotz hoher Ziele in der Vergangenheit vernachlässigt. Eine wichtige Option zur Effizienzsteigerung stellt aufgrund ihrer hohen Primärenergieausnutzung die Kraft-Wärme- Kopplung (KWK) dar. Das KWK-Gesetz bekräftigt das Ziel, den Anteil des Stroms aus KWK bis zum Jahr 2020 auf 25 % zu erhöhen und die Technologien fluktuierender Kraftwerke anzupassen. Weitere Anwendungsbereiche, wie der noch wenig erschlossene Gebäudebereich, sollen ebenfalls mehr mit einbezogen werden. Brennstoffzellen werden als höchst effiziente Energiewandler einen wichtigen Beitrag zum Erreichen der Effizienzziele sowie des KWK-Ziels Deutschlands leisten [2]. Für den Einsatz in Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung bieten Brennstoffzellen höchste Effizienz bei flexibler Ausgestaltung und Anpassung an unterschiedlichste Anwendungen. Brennstoffzellen reduzieren im Vergleich zu konventioneller Technologie die Emissionen drastisch. Beim Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff entstehen zusammen mit dem Luftsauerstoff nur Wasser und Abluft als nicht-schädliche Emission des elektrochemischen Prozesses. Zusammenfassend sind die Vorteile der Technologie folgende: Höchste Effizienz elektrischer Wirkungsgrad schon heute bis 47 % und bis zu 60 % in speziellen Konfigurationen, auch im Teillastbetrieb Nur Ausstoß von Wasser und Abluft Weitestgehend schadstofffrei (vgl. Ta - belle 1) Keine rotierenden Teile in den Hauptaggregaten, somit vibrationsfrei Geräuscharm Flexibler Brennstoffeinsatz von fossilen und erneuerbaren Energieträgern Durch den leisen, vibrationsfreien und emissionsarmen Betrieb können diese Kraftwerke mitten in der Stadt und auch Emissionen TA Luft DFC SO x 9 mg/nm 3 < 0,01 mg/nm 3 NO x 500 mg/nm 3 < 1 mg/nm 3 CO 300 mg/nm 3 < 1 mg/nm 3 Feinstaub n.a. < 0,002 mg/nm 3 Formaldehyd 60 mg/nm 3 < 1 mg/nm 3 CO 2 n.a. 445 g/kwh 236 bis 309 g/kwh* *als KWK-Anwendung 60

3 VGB PowerTech 3 l 2015 Brennstoffzellen-Kraftwerke für dezentrale KWK-Anwendungen innerhalb von Gebäuden platziert werden. Die markterprobten Brennstoffzellenkraftwerke leisten einen wichtigen Beitrag zur Versorgungssicherheit und bieten durch die hohe Effizienz auch wirtschaftlich eine leistungsfähige Alternative zur konventionellen Stromerzeugung. Für den reibungslosen Betrieb der errichteten Kraftwerke wurde seitens FuelCell Energy ein globales 24/7-Überwachungssystem aufgebaut. Die Kraftwerksbetreiber benötigen dadurch kein eigenes Personal und profitieren zusätzlich vom sehr geringen Wartungsaufwand der Brennstoffzellen bei einem Full-Service, der jede geplante und ungeplante Wartung sowie Instandhaltung umfasst. Den Kunden wird darüber hinaus eine festgeschriebene Jahresenergieproduktion garantiert. Zur Finanzierung der für eine Laufzeit von 20 Jahren konzipierten Anlagen bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Neben kompletten Finanzierungsmodellen bietet FCES auch Contracting-Lösungen auf Basis produzierter Energieeinheiten. Industrielle Anwendungen: Die Eignung einer KWK-Technologie für den Einsatz in der Industrie hängt sehr stark von dem Wärmebedarf bis etwa 300 C (als Warmwasser-, Dampf- oder Thermoöl-Einsatz) ab. Dieser Bedarf variiert zwischen den einzelnen Industriebranchen sehr stark. Als Beispiele mit einem hohen Bedarf seien hier die Grundstoffchemie, Zellstoff- und Papierindustrie und Nahrungsmittelindustrie genannt. Die thermische Kälteerzeugung stellt für die Industrie in Deutschland unter Energieeffizienz-Gesichtspunkten eine interessante Option dar, insbesondere wenn günstige Wärmequellen vorhanden sind. Durch den Einsatz von Absorptionskältemaschinen kann die stromintensive Kompressionskälteerzeugung teilweise oder gar vollständig substituiert werden. Genutzt werden kann, neben der sehr häufig als Wärmequelle für diese Anlagen genannten solaren Wärme, in industriellen Anwendungen insbesondere Abwärme aus Prozessen [1]. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die industrielle Trocknung. Die Abluft der Brennstoffzelle ist absolut partikelfrei und kann direkt ohne vorherige Reinigung als Trocknungsluftstrom, z.b. in einer Pulverbeschichtungsanlage, verwendet werden. Anwendungen in der Energieversorgung: Auch im Bereich der Energieversorgung bieten sich für die Brennstoffzelle in der gekoppelten Produktion von Strom und Wärme vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Durch die hohe Ablufttemperatur und den konstanten Volumenstrom ergibt sich eine hohe Flexibilität, um auf den unterschiedlichen und saisonal schwankenden Bedarf zu reagieren. In Verbindung mit einem Wärmespeicher lassen sich weitergehende Flexibilitätsoptionen realisieren. In Verteilnetzen, die lediglich eine geringe Last bedienen (z.b. ländliche Gegenden) und sich weit von den nächsten Übertragungsnetzen befinden, können dezentrale Anlagen den Druck vom notwendigen Netzausbau auf der höheren Netzebene nehmen [4]. Weiterhin ist eine Kopplung mit einer Wärmepumpe oder einem ORC-Prozess (ORC: Organic Rankine Cycle) möglich, um weitere Effizienzpotenziale zu heben und die spezifischen CO 2 -Emissionen zu senken. Wirtschaftlichkeit Die Wirtschaftlichkeit hängt sehr stark von der Stromeigennutzungsquote und der Differenz zwischen den vermiedenen Stromkosten und dem Preis des Brennstoffs ab. Die maximale Wirtschaftlichkeit wird erreicht, wenn Strom überwiegend für den Eigenbedarf erzeugt wird und eine entsprechend dimensionierte Wärmesenke zur Verfügung steht. Die Kosten für die Kraftwerke konnten seit der ersten Auslieferung um rund 60 % verringert werden. Die reinen Produktkosten einer industriellen Brennstoffzelle im MW- Bereich betragen mittlerweile weniger als /kw installierter Leistung. Die höheren Investitionskosten werden jedoch durch eine entsprechende Vergütung nach dem KWK-Gesetz 2012 weitgehend kompensiert. Die Amortisierung der Investition ist derzeit mit sechs bis acht Jahren noch etwas länger als bei Lösungen mit anderen, weniger effizienten und umweltschonenden Technologien. Die Betriebskosten über die Gesamtlaufzeit von 15 bis 20 Jahre im Vergleich erheblich niedriger. Ohne die Potenziale für die Nutzung der hochwertigen Prozesswärme und die Emissionseinsparungen einzurechnen, lässt sich, basierend auf einem durchschnittlichen Erdgaspreis, bereits heute die Kilowattstunde Strom für ca. 13,5 Cent produzieren. Fazit Die Anwendungsfelder für stationäre Brennstoffzellen-Systeme haben sich in den letzten Jahren ständig erweitert. Durch eine permanente Weiterentwicklung und Forschung konnten sie die Investitionskostenreduktion um mehr als 50 % (unter Ausschluss von Förderung) gesenkt werden und die Stack-Lebensdauer signifikant erhöht werden. FCES bietet den Anwendern einen Full-Service-Vertrag mit garantierter Arbeitsleistung für 10 bis 15 Jahre, der den Betrieb, alle geplanten und ungeplanten Wartungen sowie Instandhaltung einschließt und zudem eine Leistungsgarantie beinhaltet. In dem Marktsegment der stationären Brennstoffzellen haben die nationalen Markteinführungsstrategien und ordnungspolitischen Rahmenbedingungen der USA und Korea zu Erfolgen geführt. Süd-Korea hat im Bereich der Industrieanwendung den größten Brennstoffzellenpark mit 59 MW el realisiert und verfolgt weitere Ausbauziele. Zusammen mit den USA liegt das Produktionsvolumen im Jahr 2014 bei Hochtemperaturbrennstoffzellen zur Energieversorgung bei 100 MW. Weltweit wurden bereits über 110 MCFC Brennstoffzellenkraftwerken von FCE/FCES installiert. Die Brennstoffzelle als innovative, effiziente und umweltfreundlichste KWK- Technologie hat nun auch in Europa die Marktreife für einen kommerziellen Einsatz erreicht. Die bereits in Asien und USA erprobten Anlagen im MW-Bereich sind bei der Wertebetrachtung ökonomischer und ökologischer Gesichtspunkte gegenüber traditionellen Systemen wie Gasmotor und Gasturbine ebenbürtig und in Bezug auf den Kapitalwert der Gesamtnutzungsdauer überlegen. Literatur [1] Potenzial- und Kosten-Nutzen-Analyse zu den Einsatzmöglichkeiten von Kraft-Wärme-Kopplung (Umsetzung der EU-Energieeffizienzrichtlinie) sowie Evaluierung des KWKG im Jahr 2014, Endbericht zum Projekt I C 4 42/13, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. [2] Innovative Brennstoffzellen-Technologien aus Deutschland auf dem Sprung zur Serie, Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellen, VDMA [3] Schlaglichter der Wirtschaftspolitik Monatsbericht August 2014, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. [4] Kurzstudie Beitrag von zentralen und dezentralen KWK-Anlagen zur Netzstützung; Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.v. (B.KWK); Mai l FIND & GET FOUND! POWERJOBS.VGB.ORG 61

4 International Journal for Electricity and Heat Generation Vo lu me 90/2010 ISSN K Focus: Maintenance of Power Plants Concepts of IGCC Power Plants Assessment of Generators for Wind Power Plants Technical Data for Power Plants Oxidation Properties of Turbine Oils Fo cus: Pro Quality The Pro-quality Approach Quality in the Construction of New Power Plants Quality Monitoring of Steam Turbine Sets Supply of Technical Documentations Focus: Furnaces, Steam Generators and Steam Turbines USC 700 C Power Technology Ultra-low NO x Combustion Replacement Strategy of a Superheater Stage Economic Postcombustion Carbon Capture Processes Volume 85/2005 ISSN K Con gress Is sue Focus: Power Plants in Competiton Schwerpunktthema: Erneuerbare Energien Hydrogen Pathways and Scenarios Kopswerk II Prevailing Conditions and Design Arklow Bank Offshore Wind Park The EU-Water Framework Directive International Journal for Electricity and Heat Generation Publication of VGB PowerTech e.v. Focus: VGB Congress Power Plants 2009 Report on the Activities of VGB PowerTech 2008/2009 EDF Group Reduces its Carbon Footprint Optimising Wind Farm Maintenance Concept for Solar Hybrid Power Plants Qualifying Power Plant Operators New Power Plant Projects of Eskom Quality Assurance for New Power Plants Advantages of Flexible Thermal Generation Market Overview for Imported Coal International Edition Please copy >>> fill in and return by mail or fax Yes, I would like order a subscription of VGB PowerTech. The current price is Euro 275. plus postage and VAT. Unless terminated with a notice period of one month to the end of the year, this subscription will be extended for a further year in each case. Name, First Name Street Postal Code City Country Phone/Fax Return by fax to VGB PowerTech Service GmbH Fax No Date 1st Signature Cancellation: This order may be cancelled within 14 days. A notice must be sent to to VGB PowerTech Service GmbH within this period. The deadline will be observed by due mailing. I agree to the terms with my 2nd signature. or access our on-line shop at MEDIA SHOP. Date 2nd Signature

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