Anforderungen und Entwicklungsbedarf von Baugruppen in Brennstoffzellen-Mini-BHKW

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1 1. Workshop - Sonderschau Brennstoffzellen Anforderungen und Entwicklungsbedarf von Baugruppen in Brennstoffzellen-Mini-BHKW Grosser, K.; Krause, H.; Gerber, J.; Nitzsche, J. (TUBA Freiberg) Arnold, J.; Giesel, S. (s&r, DBI)

2 Gliederung 1. Vorstellung des Entwicklungsteam inhouse und seiner Partner 2. Baugruppen in Brennstoffzellenanlagen 3. Entwicklungspotenziale und Forschungsbedarf 4. Ausblick

3 Entwicklungsnetzwerk Entwicklungsteam Schalt- und Regeltechnik GmbH Berlin Stackentwicklung TU Bergakademie Freiberg Reformerentwicklung DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH Brennerentwicklung Partner TGZ Riesa-Großenhain Versuchsplattform, Demonstrationsanlagen UTF GmbH Brand-Erbisdorf Reformerbau BEHR INDUSTRY Freiberg Wärmeübertrager

4 Entwicklungsnetzwerk BZ-Anlage Brennstoffzelle energy partners USA Baujahr kw el Kompaktstack Reformer gekauft s&r Berlin 4 kw el Intelligenter Stack (integrierte Sensorik) Eigenentwicklung 1995/ : Volumen 2,7 m 3 5,2 m 3 /h H 2 für BZ 5 kw el 2004: Volumen 1,4 m 3 4 kw el / 8 kwth

5 Technologische Basis - Brennstoffzellen Brennstoffzellenarten Elektrolyt Ion Arbeitstemperatur Brennstoff AFC Alcaline FC Kalilauge OH - H C PEMFC Polymer- Elektrolyt- Membran FC Protonen leitende Membran, Wasser H + H C PAFC Phosphoric Acid FC Phosphorsäure H + H C MCFC Molten Carbonate FC Alkalikarbonatschmelze (K 2 CO 3, Li 2 CO 3 ) CO 3 2- H 2, CO 650 C SOFC Solid Oxid FC Oxidkeramik (ZrO 2 ) O 2- H 2, CO C FC = Fuel Cell

6 Technologische Basis - Reforming Stufe Dampfreformierung Autotherme Reformierung Partielle Oxidation Reformierreaktionen CH 4 + H 2 O <=> CO + 3H 2 CH 4 + 2H 2 O <=> CO 2 + 4H 2 CH 4 + H 2 O <=> CO + 3H 2 2CH 4 + O 2 <=> 2CO + 2H 2 2CH 4 + O 2 <=> 2CO + 2H 2 Energiebedarf endotherm Q > 0 Q = 0 exotherm Q < 0 CO-Konvertierung (Shift-Reaktion) CO + H 2 O <=> CO 2 + H 2 CO-Feinreinigung (Selektive Oxidation) 2CO + O 2 <=> 2CO 2 2H 2 + O 2 <=> 2H 2 O Wasserstoffgehalte maximal typisch 80 % 75 % 45 % 40 % 34 % 31 %

7 Anlagenschema eines Brennstoffzellen-Mini-BHKW Heiznetz Elektronetz Wasser Brennwertnutzung Erdgas Entschwefelung Verdampfer Reformer Shift Mehrstoff- Brenner Restgas-Rückführung SelOx Luft Befeuchter Brennstoffzellenstack Wechselrichter Reformermodul Brennstoffzellenmodul

8 Erkenntnisse der Feldtests! Hauptkomponenten zeigen zufrieden stellende Ergebnisse! das gewählte Konzept hat Vorteile bewiesen! Störungsschwerpunkte resultieren aus - unerwarteten äußere Randbedingungen der Netzanschlüsse - Ausfall von Sensoren und Messtechnik! Langzeiterfahrungen im Feld liegen noch nicht vor (bisher ca h kumuliert)

9 Komponenten in Brennstoffzellenanlagen Verschraubungen Stellglieder Rohre Dichtungen Edelstahl Luftaufbereitung Regelung Kunststoff Flowfield Steuerung Sensorik Druck Temperatur Durchfluss Katalysatoren Wärmespeicher Auf- Entberei-schwefetunlung Wasser Gasanalyse Reformer Erdgas Brenner Ventile Pumpen Dämmung Membran Befeuchter Gebläse Messdaten Brennstoffzelle Wechselrichter Luft Wärmeübertrager Gebäudeinstallation Stromund Wärmenutzung Entwicklung und Erprobung von Einzelkomponenten Optimierung hinsichtlich Volumen, Kosten, Leistung, Eigenenergiebedarf und Wirkungsgrad Entwicklung von Komplettanlagen Automatisierung des Betriebes / Sicherheitstechnik Lebensdauertests Ermittlung Energiebilanz Einbindung in Gebäudeinstallation

10 Entwicklungsbedarf in Brennstoffzellenanlagen Erdgas: wartungsarme Entschwefelung Wärmebereitstellung: Brenner mit geringer Leistung (1 3 kw) und geeignet für den Mischbetrieb mit Erdgas und Restwasserstoff Wärmerückgewinnung aus dem Abgas: Brennwertnutzung bei Abgastemperaturen bis C Luftverdichter für geringe Mengen (je kw el ca. 4,2 m³/h Luft): Überdruck max. 500 mbar Wasseraufbereitung (Teil-Deionisierung) Dosierung geringer Mengen (je kw el ca. 1,1 l/h) Leitfähigkeit < 1 µs/cm Verbindungstechnik: Leitungs- und Kupplungssysteme für H 2 -reiche Gase und DI-Wasser Wechselrichter: Umwandlung in 3~ 400 V / 50 Hz aus Gleichspannung üblich V, A / kw el

11 Entwicklungspotenziale - modulare Leistungen - Kopplung mit regenerativer Energieerzeugung Gerätekombinationen angepasste Versorgungslösungen - kundenspezifische Auslegung - optimierte Systeme - Modulbauweise - Serientauglichkeit - Preis/Leistung - optimierte Komponenten Konstruktion Anlagenbau Stack-Fertigung - modulare Leistung - Integrierte Sensorik - austauschbare Einzelzellen - Maßhaltigkeit - Serientauglichkeit Formgebung Spritzguss Luftversorgung Gebläse - bis 500 mbar - partikelfrei - fest programmierte Steuerungen (Leiterplatten) Automatisierung Elektronik Materialoptimierung - Für H2-Systeme - DI-Wasser geeignet -preisoptimiert - volumenoptimiert - lange Standzeit Katalysatoren Entschwefelung Wärmetauscher Befeuchtung - volumenoptimiert - energetisch optimiert - modulare Spannungsfenster (12-20 V, V) - Ströme bis 150 A - 1-phasig, 3-phasig Wechselrichter Brennerentwicklung und Fertigung - modulierbar bis 6 kw - volumenoptimiert

12 Technikfolgenabschätzung Die Entwicklung von Brennstoffzellen-Systemen lässt Innovationssprünge erwarten sowohl für die Brennstoffzelle selbst im Bereich der Materialtechnik und der Herstellungsverfahren als auch für die unterschiedlichen Peripherie-Einheiten. Zitat: Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung im Deutschen Bundestag, 2001 Technikfolgenabschätzung Brennstoffzellen-Technologie

13 Entwicklungspotenziale Preis/kW el Volumen/kW el 1. Versuchsanlage1998: 60 T /kw 1,5 m 3 /kw 29,5 T /kw 0,75 m 3 /kw Testanlagen (exklusiver Markt) 12,0 T /kw 0,45 m 3 /kw Übergangsmarkt 4,0 T /kw 0,25 m 3 /kw Anzahl der Geräte ca Arbeitsplätze

14 Ausblick Technikfolgenabschätzung FuE-Bedarf bei Optimierung der Brennstoffzellensysteme - verbesserte Langzeitstabilität - deutliche Senkung der Kosten - Miniaturisierung heute üblicher Reformierverfahren - Optimierung der Peripherie - Senkung des Eigenenergiebedarfs - kundenspezifische Lösungen -... Chancen für den Mittelstand

15 1. Workshop - Sonderschau Brennstoffzellen Anforderungen und Entwicklungsbedarf von Baugruppen in Brennstoffzellen-Mini-BHKW Grosser, K.; Krause, H.; Gerber, J.; Nitzsche, J. (TUBA Freiberg) Arnold, J.; Giesel, S. (s&r, DBI)