Verfahrenstechnische Entwicklung eines SOFC-Systems für den Einsatz von Biogas Prozessentwicklung und konstruktive Umsetzung

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1 Verfahrenstechnische Entwicklung eines SOFC-Systems für den Einsatz von Biogas Prozessentwicklung und konstruktive Umsetzung Matthias Jahn, TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN Professur für Chemische Verfahrens- und Anlagentechnik Dresden, den

2 Inhalte der VL Kurzvorstellung des IKTS Hintergrund und Motivation für den Einsatz von Biogas in der SOFC Projektplanung und Organisation Erstellung des Systemkonzeptes und Prüfung der Machbarkeit Entwicklung der Reaktoren für das System Erstellung des R+I - Fließbildes (bzw. P& ID) Konstruktive Umsetzung des Systems Systeminbetriebnahme und Versuchsbetrieb Seite 2

3 Das Fraunhofer IKTS im Profil Zahlen Stammpersonal 343 Student. Hilfskräfte 43 Betriebshaushalt 31,7 Mio Industrieerträge t 38,9 % Standort Dresden Öffentliche Erträge 46,6 % Grundfinanzierung 14,5 % Nutzfläche 140 Labors und Technika auf fast m² Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001 DIN EN ISO Standort Hermsdorf Institutsleiter Standortleiterin Hermsdorf Prof. Dr. Alexander Michaelis Dr. Bärbel Voigtsberger Stand: März 2011 Seite 3

4 Das Fraunhofer IKTS im Profil Forschungsfelder Strukturkeramik Funktionskeramik Werkstoffe Sintern und Charakterisierung Mikro- und Energiesysteme Verfahren und Bauteile Umwelttechnik und Bioenergie Intelligente Materialien und Systeme Seite 4

5 Grundlagen zu Brennstoffzellensystemen Gründe für das Interesse an der Brennstoffzellennutzung Quelle: ASUE Elektrischer Wirkungsgrad von Biogas-BHKW-Anlagen Hohe Verstromungswirkungsgrade Keine beweglichen Teile Potential für die Nutzung von regenerativen Energien Seite 5

6 Funktionsprinzip Brennstoffzelle Brennstoffzellen-Typenellen Tpen e - Anodengas Kathodengas Alkaline Fuel Cell AFC O 2 H 2 H 2 O Kalilauge OH - <100 C Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell PEMFC perfluorierte Polymere H C H + O 2 H 2 O Phosphoric Acid Fuel Cell PAFC H 2 Phosphorsäure H + O 2 H 2 O C Molten Carbonateb t Fuel Cell MCFC CO 2 H 2 H 2 O Karbonatschmelze CO 2-3 O C CO C H Zirkonoxidkeramik Solid Oxide SOFC 2 O C H 2 O O 2-2 Fuel Cell Brennstoff Sauerstoff (Luft) Anode Elektrolyt Kathode Seite 6

7 Funktionsprinzip der SOFC (= Solid Oxide Fuel Cell) Kathodenreaktion: 2 1 / 2 O2 + 2 e O Anodenreaktion H O H 2O + e 2 ( CO + O CO + 2e ) 2 Seite 7

8 Grundlagen zu Brennstoffzellensystemen Leistungsklassen und Märkte 1 W 100 W 1 kw >10 kw Mobil Mobil Mikro-KWK Stationäre ti Anlagen Wasserstoff LPG, Methanol, Ethanol Erdgas Erdgas, Biogas PEMFC DMFC, PEMFC, SOFC PEMFC, SOFC SOFC, MCFC Seite 8

9 Systementwicklung am Fraunhofer IKTS Material- und System-Know-how Ni(CH 3 COO) 2 4,53 wt% Reaktionstechnik Katalyse Simulation / Regelungstechnik Brennstoffzellen und Stacks Systementwicklung Seite 9

10 Brennstoffzellen-Systementwicklung am Fraunhofer IKTS Seite 10

11 Einsatz von Biogas in der SOFC Generelle Vorteile SOFCs können mit allen kohlenstoffhaltigen Gasen betrieben werden. Biogas hat verglichen mit anderen nachwachsenden Rohstoffen einen hohen Energieertrag pro Anbaufläche CO 2 muss beim Einsatz der SOFC nicht aus dem Biogas abgetrennt werden. Projektziele: Innovatives Konzept zur Biogaserzeugung g g Steigerung der Biogaserzeugung Verbesserung der Wirtschaftlichkeit SOFC System zur Biogasnutzung Installation des SOFC-Systems auf der Kläranlage Roßwein und Kopplung des Systems mit der Gaserzeugung Seite 11

12 Innovative Prozessführung der Biogaserzeugung und Kopplung mit der SOFC Desintegration Gasreinigung Feinreinigung SOFC BHKW Elektroenergie, Einspeisung ins öffentliche Stromnetz Biogener Katalysator Brauchwasser Silagewäsche Aktivierte Biomasse Hydrolyse Gasspeicher Gasspeicher Wärmeenergie, Stadtwerke Rosswein NawaRo bzw. Biomüll Vor-/ Feinstzerkleinerung Zentrifuge Feldrandmiete d Vorlage Substratvorbehandlung Fermenter Nachgärung Düngemittel- konzentrat Membranfiltration - Erhöhung Biogasanfall um 30 % Vorfluter - Reduzierung der Faulzeit auf ca. 30 Tage - H 2 S Abscheidung in der Hydrolysestufe Quelle: Friedrich, E. (IKTS, UVT) Seite 12

13 Entwicklungsprozess für das SOFC-System Seite 13

14 Lastenheft für die Systementwicklung/wesentliche Punkte Spezifikation Biogas-SOFC Brennstoff Biogas Zusammensetzung x CH4 =0,4 0,7 x CO2 =0,3 0,6 El. Leistung, brutto 0,75 kw (pro eingesetztem Stack) Reformerluftzahl 0,1 Stack CFY 30 Ebenen Betriebstemperatur 850 C Brennstoffumsatz 75 % El. Wirkungsgrad, brutto 045 0,45 0, Therm. Wirkungsgrad 0,40 0,48 Gesamtwirkungsgrad 0,88 0,94 Start/Stopp Fähigkeit Ja Emissionen gemäß Blauer Engel Seite 14

15 Projekt -Team Anzahl Funktion Aufgaben 1 Projektleiter(in) Erstellung des Projektplans und Verfolgung Durchführung der Meetings 6-7 Entwicklungsingenieure/ Entw.ingenieurinnen für - Systementwicklung - Systemsimulation i - Komponentensimulation - Entschwefelung - Reformer - Brenner -MSR - Erstellung des Lastenheftes für das System und die Komponenten - Erstellung des Systemkonzeptes und des Fließbildes -Entwicklung ikl der Komponenten mit experimentellen und theoretischen Methoden (Aufbau von Testständen, Versuchsplanung, -durchführung und auswertung) - Systemautomatisierung und Betrieb 1 Konstrukteur(in) Konstruktive Umsetzung von Komponenten und System 1 Versuchsingenieur(in) Versuchsdurchführung und auswertung 2 Techniker/Technikerinnen Aufbau von Testständen und Systemen 1 Laborant(in) Durchführung der Analysen (Gase und Flüssigkeiten) + Administration, Einkauf und Controlling + weitere interne und externe Mitarbeiter in Werkstatt und Analyselabors + Dienstleister zur Fertigung von Reaktoren nach Zeichnung Seite 15

16 Erste Zeitplanung für das Projekt Dez 06 Mai 07 Nov 2007 Offizieller Starttermin Kick-Off- Meeting Komponenten- Designfreeze Anlageninbetriebnahme Komponentenentwicklung (Konstruktion und Simulation) Prüfstandsaufbau Reformer u Nachbrenner Komponententests Systemsimulation Regelungsentwurf Systemkonzept Systemaufbau u Inbetriebnahme Systemtests und Anpassungen Organisation der Meetings: Aktivitätenliste Seite 16

17 Entwicklungsprozess für das SOFC-System Seite 17

18 Reformer für Biogas 1. Steam-Reforming CO 2 + CH 4 H 2 O Reformer 2. Partielle Oxidation CO 2 + CH 4 N 2 /O 2 Reformer Reformat: CO, H 2 CO 2, H 2O, N 2 CH 4, (C) 3. Autotherme Reformierung CO 2 + CH 4 H 2 O Reformer N 2 /O 2 S/C = steam to carbon λ = Luftzahl Wasserdampf zu tatsächliche Luftmenge zu Kohlenstoffverhältnis stöchiometrischer Luftmenge Seite 18

19 Biogas-Reformierung/Chemische Reaktionen Seite 19

20 Thermodynamische Analyse des 850 C Biogas und reines Methan (nach CO 2 Abtrennung) λ λ Biogas C-Bildung CH 4 S/C = 0 CH 4 + CO 2 2 CO + 2 H 2 (Δ R H > 0) Partielle Oxidation ist einfachstes Reformingprinzip Für Biogas ist ein hoher Wirkungsgrad ohne Zugabe von Wasserdampf möglich Keine Abtrennung von CO 2 erforderlich Seite 20

21 Elektrochemische Grundlagen Spannung und Spannungsminderung Nernstsche Spannung (Leerlaufspannung: OCV = open circuit voltage) Spannungsminderungsmechanismen Ionenleitwiderstand (Ohmscher Widerstand) Brenngasumsatz Reaktion und Durchtritt an den Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen Undichtigkeit zur Umgebung Direktumsatz durch Mikrorisse Elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten Gasdiffusion i durch die Elektroden Seite 21

22 Elektrochemische Grundlagen Strom/Spannungs-Kennlinie und Strom/Leistungs-Kennlinie ,0 mittl. Ze ellspannung in mv guter Wirkungsgrad Leistung Zellspannung 40,0 30,00 20,00 10,0 Leistung pr ro Zelle in W (147 cm²) hohe Leistung 0 0, Stromdichte in ma/cm² Seite 22

23 Thermodynamische Analyse des Systembetriebs Idealer elektrischer Wirkungsgrad Vergleich Biogas und Methan POX-Betrieb λ λ S/C η el = P el / P chem,zu η el = U I /( m& Brennstoff H U ) S/C Elektrischer Wirkungsgrad = Elektrische Leistung/ zugeführte chemische Leistung Seite 23

24 Entwicklungsprozess für das SOFC-System Seite 24

25 Grundfließbild Seite 25

26 R& I Fließbild Seite 26

27 Prozessauslegung Seite 27 Daten für die Reaktorauslegung

28 Entwicklungsprozess für das SOFC-System Seite 28

29 Aufbau von Brennstoffzellenstacks Seite 29

30 Entschwefelung von Biogas Adsorbens Labortest GC/PFPD Gas Analyse Screening FhG IUSE Prozessmodel MnO + H 2 S MnS + H 2 O Pilotanlage Seite 30

31 Reforming Thermodynamisches h Gleichgewicht i ht endotherm exotherm Thermische Integration im Gesamtsystem n O2, zugeführt λ = n & O, stöchiomet risch & 2 31 Seite 31

32 Reformer development Dry CO 2 reforming System integrationi electric power internal heat utilization heat fuel air, water reforming reformate air electrochem. conversion reformate off-air anode offgas oxidation exhaust System view: both methods of coupling possible but internal reforming not yet thoroughly tested Catalyst support: silicone carbide Commercially available catalyst Seite 32

33 Brenner mit poröser Schaumkeramik SSiC Schaumkeramik (hergestellt nach modifiziertem Schwarzwalderverfahren) cathode air outlet Hohe Leistungsmodulation Hohe Leistungsdichte combustion air air preheater cathode air inlet Stabiler Betrieb bei Änderung der Brenngaszusammensetzung Stabilisierungszone Verbrennungszone fuel gas exhaust gas Durchmesser 55 mm, Länge 150 mm Seite 33

34 Verbrennungsstabilisierung über eine Flammensperre Porenbrenner mit Pécletzahl- Stabilisierung Modifizierte Pécletzahl Pe = S L d p, eff λ f c p ρ f Mit: S L = laminare Flammengeschwindigkeit i d p,eff = effektiver Porendurchmesser, cp = spezifische Wärmekapazität des Fluids ρ f = Dichte des Fluids λ f = Wärmeleitfähigkeit des Fluids Seite 34

35 Ausgewähltes Stabilisierungsprinzip Nutzung einer rein kinematischen Stabilisierung der Reaktionszone Vorteil: Verzicht auf eine Flammensperre Reduktion lebensdauerkritischer Bauteile Stabilisierung von Brenngaszusammensetzungen mit hoher Diffusionsneigung Seite 35

36 Theoretische und experimentelle Untersuchung der Gemischbildung - CFD Rechnungen Prototypenbau Seite 36

37 Brennerentwicklung Start- und Nachbrenner Betriebsanforderungen - Startbetrieb: Verbrennung von Biogas/Methan zur Aufheizung des Systems - Stationärbetrieb: Thermische Nutzung des Abgases aus dem Stack (H 2, CO) Anpassung erforderlich, da bei Biogas besonders niederkalorisch Erhebliche Verbesserung des Emissionsverhaltens durch neue Gemischbildung Einhaltung Blauer Engel Gemischbildungsoptimierung Seite 37

38 Entwicklungsprozess für das SOFC-System Seite 38

39 Regelungsentwicklung Teilschritte itt zur Vollautomatisierung ti i Entwick klungszeitra aum Vorgaben (An/Aus, P el ) Ablaufsteuerung (SB-Betrieb, Betrieb Betrieb, Lastabwurf, ) einfache Bedienung mit minimaler Anzahl an Betriebsvorgaben sicherer unbeaufsichtigter Betrieb des Systems vollautomatische Betriebsführung Systemregler (Verknüpfung der Komponentenregler) Abstimmung der Komponenten aufeinander Verknüpfung zu Gesamtsystem komplexe (modellbasierte / adaptive) Regler für Regler Stack Regler Reformer Regler SB degradationsbehaftete Komponenten (P el, T Kern ) (P ch, T Ref ) (P ch, T Brenner ) Betriebsführung Einzelkomponenten Steuerungen / Regler BoP (Ventilstellungen, Volumenströme, ) Aktoren (Ventile, Wechselrichter, Gebläse, ) Ansteuerung der Aktoren stabile Mediendosierung System komplett aufgebaut keine Steuerungssoftware vorhanden Prozesskomponenten (Stack, Reformer, Nachbrenner, Startbrenner, ) Seite 39

40 Regelungsentwicklung Teilschritte itt zur Vollautomatisierung ti i Seite 40

41 Entwicklungsprozess für das SOFC-System Seite 41

42 Aufbau des SOFC-Systems Außerdem: Wärmeübertrager Aktoren (MFCs, Ventile ) Sensoren (Thermoelemente, Druck- sensoren ) Luft-Verdichter SPS Seite 42

43 SOFC-System für Biogas Seite 43

44 Entwicklungsprozess für das SOFC-System Seite 44

45 Regelungsentwicklung und Betrieb Modellbasierte e Regelungsalgorithmen egeu gsago e Automatische Anpassung an variierende Gaskonzentrationen Hot-Standby Vollautomatische Start-Up-Prozeduren Seite 45

46 Aktuelle Biogas-Systemgeneration Konstruktion, Auslegung, Aufbau Systemkonzept überarbeitet: - Kompakte Gerätebauweise - Enge Kopplung d. Komponenten - Bessere thermische Isolation - Neueste Stackgeneration d. IKTS - Verbesserte Wärmeübertrager - Zertifizierungsfähiges Gerät Vorteile: - Oxidatives CO 2-Reforming g( (Luftzahl, kein Wassermanagement) - Hoher Wirkungsgrad (el. & th.) System aufgebaut im August 2011 Integration in Laborumgebung und Inbetriebnahme September 2011 Seite 46

47 Aktuelle Biogas-Systemgeneration Inbetriebnahme Gaszusammensetzung x CH4 = x CO2 = 0,5 Nennleistung P DC = 800 W Elektrischer Wirkungsgrad η DC Brutto = 47 % 51,3 % Thermischer Wirkungsgrad η th Netto = 40 % Gesamtwirkungsgrad η ges Brutto = 87 % 91,3 % Oxidatives CO 2 -Reforming (Luftzahl, kein Wassermanagement) Seite 47

48 Entwicklungsprozess für das SOFC-System Seite 48

49 Integration in Gaserzeugung auf Kläranlage Roßwein Fermenter-System t auf der Kläranlagel Entschwefelung installiert t Brennstoffzellensystem mit der vorhandenen Biogas-Erzeugung gekoppelt Seite 49

50 Langzeitbetrieb mit realem Biogas 1. Systemgeneration Reale Bedingungen: - Parallel liefen Experimente mit dem Fermentersystem - Unregelmäßigkeiten i in der Biogasproduktion (kaltes Wetter, Schaumbildung, ) Automatische Umschaltung auf simuliertes Biogas bei Ausfall der Biogasproduktion Fernwartung über Mobilfunk Geplante Betriebsdauer erfüllt (1400h) Seite 50

51 Schlussfolgerungen für die verfahrenstechnische Systementwicklung Entwicklung Gesamtsystem nach Lastenheftvorgabe Interdisziplinäres Team zur Bearbeitung erforderlich - enge Kopplung von Reaktionstechnik mit Maschinenbau und Mess- und Regelungstechnik und starke Einbindung der Techniker - weitere Funktionen wie Einkauf, Controlling und Labor Reaktoren können nur im Zusammenspiel mit den andere Komponenten optimiert werden Festlegung von Terminen wie z.b. dem Design-Freeze für die Komponenten zur Termineinhaltung im Projekt notwendig Automatisierung der Versuchsanlage ist für den Dauerbetrieb zwingend erforderlich Im realen Feldtest treten neue Anforderungen gegenüber dem Laborbetrieb auf Seite 51

52 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Von der Biomasse bis zu elektrischem Strom und Wärme f Seite 52

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