Institut für Wärmetechnik. Technische Universität Graz Österreich

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1 Entwicklungsstand innovativer SOFC-Systeme Systeme zur dezentralen Energiebereitstellung 11 tes Symposium m Energieinnovation Graz Institut für Wärmetechnik Technische Univers Graz Österreich 1

2 Inhalt Ein Blick zurück Historie der SOFC Derzeitige am Brennstoffzellensektor Weltweite SOFC Aktiven mit Fokus auf die EU und die USA Derzeitige Forschungsaktiven am Institut für Wärmetechnik Zusammenfassung assu und Fazit 2

Geschichtliche Meilensteine 1838/39: Grundprinzip der Brennstoffzelle durch Schönbein/Grove 1897: Nernst demonstriert Ionenleitfähigkeit eines YSZ Elektrolyten (Nernst Masse) mittels Nernst Lampe

3 Geschichtliche Meilensteine 1838/39: Grundprinzip der Brennstoffzelle durch Schönbein/Grove 1897: Nernst demonstriert Ionenleitfähigkeit eines YSZ Elektrolyten (Nernst Masse) mittels Nernst Lampe 1937: Baur und Preis erfinden erste SOFC : Wagner entdeckt Ionenleitfähigkeit, Startschuss intensiver SOFC Entwicklung, Fokus auf Material 1986: 5 kw el SOFC Generator von Westinghouse mit tbl tubularen Zll Zellen 3

4 Brennstoffzellen P el [kw] PEM DMFC MCFC PAFC SOFC Hexis Siemens Ballard UltraCell Dezentrale Energie Systeme Strom Aggregate, APU Mobile Anwend., Bsp.: Laptop F&E Demonstration Markt 4

5 Bsp. Niedertemperatur Brennstoffzellen (PEM, DMFC) Smart Fuel Cell DMFC: W el kg Brennstoff: Methanol Hütten, Reisemobile, Marine, Ballard PEM: kw el kg Brennstoff: H 2 Bus Antrieb (Flotte für Vancouver 2010) com 5

6 Bsp. Hochtemperatur Brennstoffzellen (MCFC, SOFC) Fuel Cell Energy MCFC: 0.3 / 1.4 / 2.8 MW el El. Wirkungsgrad: 47% (LHV) Brennstoff: Erdgas Dezentrale Kraftwerke Ceramic Fuel Cell Ltd. SOFC: 2 kw el / 1 kw th El. Wirkungsgrad: 60% bei 1.5 kw el (LHV) Brennstoff: Erdgas Brennstoffzellen-Heizgerät 6

7 Weltweite USA SECA Versa Acumentrix Delphi Brasilien F&E EU FP7, JTI Wärtsila Hexis Vaillant China Süd Korea NFCTP F&E NIMTE Japan NEDO Australien Mitsubishi Ceramic Fuel Cell Ltd. 7

8 Weltweite - USA Solid State t Energy Conversion Alliance - SECA 1999 initiiert vom Department of Energy (DOE) Zusammenarbeit zwischen Regierung, Forschung und Industrie zur Beschleunigung der Marktauglichkeit von 3 10 kw el SOFC Systemen Beteiligte Firmen: Acumentrics, Cummins Power Gen., Delphi, Fuel Cell Energy, GE, Siemens Zielsetzung: Entwicklung von SOFC Systemen mit integrierter Kohlevergasung 5 MW el System mit Wärmerückgewinnung (2015) atmosphärisch betriebenes SOFC System mit integr. Kohlevergasung (2020) druckaufgeladenes SOFC System mit integrierter Kohlevergasung (2025) 8

9 Weltweite - USA Integrated t Gasification Fuel Cell - IGFC CO 2 Abscheid. η el : ~50-56% 56% (HHV) inkl. CO 2 -Kompr. druckaufgeladene Kohlevergasung g mit Reinsauerstoff Kalt- oder atmosphärische oder Heißgasreingung g g druckaufgeladene SOFC 9

10 Weltweite - Europa EU-Rahmenprogramme FP6/FP7, JTI FCH JTI zur Implementierung des 7. Rahmenprogramms Partnerschaft zwischen Privatwirtschaft und öffentlicher Hand (EU-Kom.) Millionen EUR Technologie: PEM, MCFC, SOFC anwendungsorientiert und technologieneutral Teilkategorie stationäre Energiesysteme und Kraft-Wärme-Kopplung Zielsetzung: 3 7 MW el für vorkommerzielle Demonstrationszwecke (2010) 100 MW el gesamte installierte Leistung (2015) 10

11 Institut für Wärmetechnik Progr. Projekt Laufzeit Volumen Ziel Weltweite - Europa FP6 SOFC M Entwicklung Stack Komponenten für 600 C FP6 REAL SOFC M Betrieb druckaufgeladener Stacks, Wärmerückgewin. Fokus SOFC FP6 LARGE-SOFC M Entwicklung von 100kW-MW Kraftwerken FP6 FLAME-SOFC M SOFC basierende Mikro KWK für untersch. Brennstoffe FP6 GREEN-FC M Nutzung Holzgas in einer SOFC FP6 BIOCELLUS M Demonstration holzgasbetriebener SOFC von unterschiedlichen Biomasse-Vergasern FP6 BIOFUCEL M Entwicklung SOFC KnowHow für stat. Anwendung basierend auf Biomasse Vergasung und Erdgas FP7 METSOFC ,57 M Entwicklung von neuartiger Stack Technologie basierend auf metallgestützten Elektroden JTI GENIUS ,2 M GEneric diagnosis InstrUment für SOFC Systeme JTI ASSENT ,9 M Anoden Subsystem Entwicklung & Optimierung für SOFC Systeme JTI ROBANODE ,4 M Untersuchung und Minimierung der Anoden Degradation in H2- und erdgasbetriebenen SOFCs Dezentrale Energiesysteme auf Basis Biomasse und Erdgas 11

12 Institut für Wärmetechnik Weltweite - Europa Wärtsilä WFC20 Erster Prototyp 2007 SOFC: 20 kw el El. Wirkungsgrad: 46% (LHV) Gesamtnutzungsgrad: 80% Brennstoff: Erdgas, Methanol, H 2 Aufgabe der Systemintegration Stack, Reformer, katal. Brenner (TOFC) Upscale auf 50 kw el geplant 12

13 F&E im Bereich SOFC am Institut für Wärmetechnik EU-Projekt BioCellus (FP6) Koordinator: TU-München Demonstration holzgasbetriebener SOFC von unterschiedlichen Biomasse-Vergasern 100 % 800 C Heatpipe Reformer chemically bounded energy 122 % 134 % sensible heat 12% SOFC ηel,fc = 42 % 34 % 79 % heat losses 4 % % 1000 C + 20% unused product gas combustor Kopplung untersch. Biomasse-Vergaser- Bauarten mit einer SOFC Produktgasaufbereitung durch Kalt- und Heißgasreinigung Einsatz von realem Holzgas in planaren sowie tubularen SOFC mit und ohne Teer- Vorreformer total el. efficiency ηel η = 51 % 45 % 880 C Karl J., 2006 FAZIT: SOFC zeigt hohe Toleranz gegenüber Teere 13

14 F&E im Bereich SOFC am Institut für Wärmetechnik FFG-Projekt Tarcell Einfluß von höheren Kohlenwasserstoffen auf das Betriebsverhalten einer SOFC Hintergrund: Die Umsetzung der Teere im Holzgas durch Reformierung an der Anode der SOFC vereinfacht die Gasreinigung des Gesamtprozeßes ermöglicht die Nutzung der in den Teeren enthaltenen Brennstoffenergie verbessert den Wärmehaushalt (Wärme für Reform. direkt von SOFC) steigert somit den Gesamtnutzungsgrad des Systems Erste Ergebnisse mit Naphthalin in H 2 /N 2 /H 2 O: Naphthalin wird temperaturabhängig an der Anode umgesetzt messbare Potentialsteigerung durch Erhöhung des Brennstoffangebots aufgrund Reformierung von Naphthalin 14

15 Gasregelstrecke Teerkonditioniereinheit SOFC-Prüfstand 15

16 Funktionsweise Kostenziele F&E im Bereich SOFC am Institut für Wärmetechnik U-I Kennlinie: Brennstoffgemisch: H 2 /N 2 /H 2 O + C 10 H 8 (Naphthalin) Zellspan nnung [V] 1, ,96 0,92 0,88 0,84 ]Kostenziele ohne Naphthalin mit Naphthalin 900 C 800 C 0, Stromdichte [ma/cm²] 16

17 F&E im Bereich SOFC am Institut für Wärmetechnik weitere Schritte: Tests mit Permanentgasmischungen (synthetisches Holzgas) Variation und Kombination der Teerspezies (Phenol, Toluol, Xylol, Phenanthren) Tests mit realem Holzgas Keramikgehäuse für planare 10x10cm 2 SOFC-Einzelzellen 17

18 Zusammenfassung Derzeitige sich am Markt befindlichen Brennstoffzellen Systeme sind zumeist PEM und MCFC. SOFC haben Marktdurchbruch noch nicht erreicht Zahlreiche SOFC Aktiven weltweit, gestützt durch nationale und internationale Programme wie SECA (USA), JTI (EU), NEDO (Japan) USA bekennt sich mit Konzept der Integrated Gasification Fuel Cell (IGFC) zur langfristigen Nutzung von Kohle in SOFC-Systemen Systemen für die dez. Energiebereitst. EU fördert breiter anwendungsorientiert und technologieneutral, zu den verfolgten Technologien zählen hauptsächlich der Einsatz von Erdgas sowie vereinzelt die Nutzung von Biomasse F&E Aktiven am Institut für Wärmetechnik konzentrieren sich auf die Nutzung von Produktgasen aus der Biomasse-Vergasung mit Fokus auf höhere Kohlenwasserstoffe Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 18

19 19

20 Funktionsweise Funktionsweise SOFC Kostenziele H 2 H2 O Anode - Elektrolyt Kathode + e - e - V U Z O 2 N2 H 2 2H + + 2e 1 O + 2ee O H O H O 20

21 Funktionsweise Kostenziele Deutschland Weltweite - Europa Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Projekt Callux koordiniert von der NOW GmbH Volumen 86 Millionen EUR Praxistest bis zur Marktreife von Brennstoffzellen-Heizgeräten Firmen: Baxi Innotech (PEM), Hexis (SOFC), Vaillant (PEM, SOFC) Leistungsbereich zwischen 1 und 4.6 kw el 21

22 Institut MFC für Wärmetechnik trecke Univ.-Prof. H 2 Dr.-Ing. Jürgen Karl H 2 O CO CO 2 CH 4 N 2 Teere S/C asregelst Ga Synth. Produktgas Luft Ofen Single Cell T Zelle Lastregelung U/I I Zelle Heißgasreinigung Holzvergaser Holzgas Gasanalysator Bre nnstoffze ellen- Vers suchssta and H 2 O Luft Holzg gasquelle e Versuchsparameter 22

23 Funktionsweise Kostenziele Kostenziele SOFC für dezentrale Energiebereitstellung Wirtschafts raum System/Stack Anwendung Leistung Zeithorizont Kosten Japan System dezentr. Energieerz. >100 kw US$/kW Japan System dezentr. Energieerz. >100 kw US$/kW Japan System Kraft-Wärme-Koppl kw US$/kW Japan System Kraft-Wärme-Koppl kw US$/kW USA System Dezentr. Energieerz. >100 kw US$/kW USA Stack Dezentr. Energieerz. >100 kw US$/kW Programm Ziele EU System Kraft-Wärme-Koppl kw EUR/kW EU System Kraft-Wärme-Koppl. >100 kw ,5-5 keur/kw Studie System Dezentr. Energieerz. 212 kwel EUR/kW BioCellus ohne Kosten Degression SOFC mit integr. Biomasse-Vergasung Studie ohne Kosten Degression System Dezentr. Energieerz. SOFC mit integr. Biomasse-Vergasung 200 kwel EUR/kW Studien 23

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