Hybrid-Systeme. Prof. Dr.-Ing. D. Bohn

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Valentin Michel
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1 Hybrid-Systeme Hocheffiziente und emissionsarme Kohleund Gaskraftwerke Prof. Dr.-Ing. D. Bohn Institut für Dampf- und Gasturbinen, RWTH Aachen Enertec

2 Hybrid-Systeme Einführung in die Thematik Definition " Hybrid-Prozesse" Hybrid-Prozess: Mikrogasturbine und Brennstoffzelle Bewertung von Kosten Zusammenfassung Enertec

3 Definition und Anforderungen an Hybrid-Systeme Definition "Hybrid-System" Kombination zweier Energiewandlungstechnologien in einem Prozess Energetische Kopplung der beiden Prozess Nutzung von Synergie-Effekten zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades Anforderungen an neue Energiewandlungstechnologien 1. Schonung der Ressourcen höhere Wirkungsgrade 2. Verträglichkeit mit der Umwelt geringere schädliche Emissionen 3. Absatz auf dem Weltmarkt wettbewerbsfähiges Produkt Enertec

Gesamtwirkungsgrades Anforderungen an neue Energiewandlungstechnologien 1. Schonung der Ressourcen höhere Wirkungsgrade 2.

4 Oxycoal-Prozess konventioneller Dampfprozess mit integrierter verfahrenstechnischer Anlage zur Brennstoffherstellung für Dampfprozess (Luftzerlegungsanlage: Stickstoff, Sauerstoff, Reststoffe) --> kein Hybrid-Prozess angestrebter Gesamtwirkungsgrad 37 % zwei verwertbare Produktgase: Stickstoff und CO 2 Quelle: U. Renz, XXXVI. KW Kolloquium, Dresden, Okt Enertec

Reststoffe) --> kein Hybrid-Prozess angestrebter Gesamtwirkungsgrad 37 % zwei verwertbare

Hybrid-Prozess aus Gasund Dampfturbinen- Technologie (GuD) Wirkungsgrad 58,5 %, höchster kommerziell erzielter Wirkungsgrad in Energiewandlungsanlagen (Erdgas als Brennstoff)

5 Hybrid-Prozess aus Gasund Dampfturbinen- Technologie (GuD) Wirkungsgrad 58,5 %, höchster kommerziell erzielter Wirkungsgrad in Energiewandlungsanlagen (Erdgas als Brennstoff) Wirkungsgrad-Quantensprung auf 65-70% durch neue Werkstoffe und Kühltechnologien im Gas- und Dampfprozess erreichbar Einsatz von Kohle durch neuartige Rauchgasreinigung in Gasturbine denkbar GuD-Prozess Gasturbine Dampfturbine Enertec

65-70% durch neue Werkstoffe und Kühltechnologien im Gas- und Dampfprozess erreichbar Einsatz von Kohle

6 Hybrid-System: Mikrogasturbine und Brennstoffzelle Mikrogasturbine Brennstoffzelle Hybrid-System Quelle: Elliott, Sulzer-Hexis, Siemens-Westinghouse Enertec

7 Gasturbine mit sehr kleiner Leistung (Capstone) Leistung 28 kw T Abgas 271 C Druckverhältnis < 5 Wirkungsgrad 26% Enertec

8 Schaltbild der Capstone - Mikrogasturbine Gasverdichter Erdas Luft 15 C Brennkammer 800 C Gen. Verdichter Turbine 560 C Abgas 100 C z. B. Wasser 60 C 200 C 270 C 500 C Rekuperator z. B. Wasser 80 C Abhitzewärmetauscher Source: Enwor Enertec

9 Wesentliche Baukomponenten Generator (1): Stromwandlung ohne Getriebe Radialverdichter (2): Aerodynamik Rekuperator (3): thermo-mechanische Auslegung Brennkammer (4): "Multi Fuel Capability", Flächenbrenner Turbine (5): hohe Temperaturen ohne Kühlung 2 5 Quelle: Dielmann, "Mikrogasturbine: Entwicklungsstand, Vorteile und Markteinführung" Enertec

(4): "Multi Fuel Capability", Flächenbrenner Turbine (5): hohe Temperaturen ohne Kühlung 2

10 Temperaturverteilung im Abgasturbolader Gehäuse, Welle und Fluid (2D-Schnitt) Temperaturverteilung für die Gesamtrechnung 0,35 1,0 T/T ot,ref [-] Verdichter Lagergehäuse Turbine Enertec

11 Entwicklungsprognose MGT-Technologie (McDonald, 2000) MGT mit keramischen Hochtemperatur-Komponenten Fernziel: η=50% aerodyn. optimierte? Rekuperatoreffektivität Verdichter und 5 Turbinen Entwicklungstrend metall. Werkst. 3 4 keramische Werkst. 2 Steigerung der Turbineneintrittstemperatur durch Fortschritte in der Werkstofftechnologie derzeitige Prototypen spez. Invest.-kosten: /kw 1 Metallische MGT mit metallischem Rekuperator (Edelstahl) Temperaturgrenze für metallische Werkstoffe Metallische (oder keramische) MGT mit metallischem Rekuperator (Superleg.) kw-mgt Enertec

2 Steigerung der Turbineneintrittstemperatur durch Fortschritte in der Werkstofftechnologie derzeitige Prototypen spez. Invest.

12 Brennstoffzellen-Typen Produkte Stromverbraucher Produkte SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) η el,ch4 =48-55% Luft Luft e - Keramik-Membran C O 2- e - H 2,CO, H 2, CO, 2 O, O, CH CH 4 CO CO 2 MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) η el,ch4 = 47-55% Luft, CO 2 CO 3 2- Karbonatschmelze C H 2, CO H 2 O, CO 2 PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) η el,ch4 = 40-45% H 2 O Luft, O 2 Phosphor-Säure C H + H 2 PEMFC (Proton-Exchange Membrane Fuel Cell) η el,ch4 = 40% H 2 O Luft, O 2 Festpolymermembran C H + H 2 AFC (Alkaline Fuel Cell) η el,ch4 = 36% O 2 OH - Kalilauge C H 2 H 2 O Sauerstoffquelle Kathode Elektrolyt Anode Brennstoff Enertec

Fuel Cell) η el,ch4 = 40-45% H 2 O Luft, O 2 Phosphor-Säure 160-220 C H + H 2 PEMFC (Proton-Exchange Membrane Fuel Cell) η el,ch4 = 40% H 2 O Luft, O 2

Prinzip der Kopplung GASTURBINE Turbineneintrittstemperatur: 950 C - 1250 C Abgastemperatur: 400 C - 600 C Nutzung synergetischer Effekte durch Austausch von Wärme auf unterschiedlichen

13 Prinzip der Kopplung GASTURBINE Turbineneintrittstemperatur: 950 C C Abgastemperatur: 400 C C Nutzung synergetischer Effekte durch Austausch von Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus Erzielung hoher Wirkungsgrade bei geringer Leistungsgröße Einsatzbereich: dezentrale Energieversorgung BRENNSTOFFZELLE hohe Betriebstemperatur in Abhängigkeit des BSZ-Typs Wärmebedarf für - Brennstoffreformation und - Anoden-/Kathodengasvorwärmung bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen Enertec

geringer Leistungsgröße Einsatzbereich: dezentrale Energieversorgung BRENNSTOFFZELLE hohe Betriebstemperatur in Abhängigkeit

14 Direkte Kopplung von Brennstoffzelle und Mikrogasturbine Kopplung von Brennstoffzelle und Mikrogasturbine P el CH 4 P el G Luftzufuhr Q. Enertec

15 Wirkungsgradsteigerung durch die Verschaltung von Gasturbine und Brennstoffzelle 75 % 52 % 42 % Parallelbetrieb von MGT und SOFC max.turbineneintrittstemperatur 950 C SOFC-Betriebstemp. 950 C Kopplung über Wärmetauscher max.turbineneintrittstemperatur 950 C SOFC-Betriebstemp. 950 C Direkte Kopplung max. Turbineneintrittstemperatur 1500 C SOFC-Betriebstemp. 950 C Enertec

950 C Kopplung über Wärmetauscher max.turbineneintrittstemperatur 950 C SOFC-Betriebstemp.

16 Technologie Spezifische Investitionskosten und typische Primärenergien für Energiewandlungstechnologien Spezifische Investitionskosten (Euro/kW el ) Energiequelle PKW-Motor Gasturbine GuD BHKW größerer Leistung Kleingasturbine Dampfturbine Windenergie Mikrogasturbine BHKW kleiner Leistung PAFC Wasserkaftanlagen größerer Leistung (> 1 MW) Photovoltaik Wasserkaftanlagen kleiner Leistung ( kw) Hochtemperaturbrennstoffzelle Öl(Benzin/Diesel)/Gas Erdgas/Erdöl Erdgas/Kohle/Öl Erdgas/Öl Erdgas/(Erdöl) Kohle/Erdgas/Öl Wind Erdgas/Öl/Biogas Erdgas/Öl Erdgas/Klärgas Wasser Sonne Wasser Erdgas/...H 2 Enertec

kleiner Leistung (70-1.000 kw) Hochtemperaturbrennstoffzelle 20-40 250-350 400-600 400-1.000 500-1.000 750 850-1.200 1.200 4.000-5.000 1.000-2.000 2.500 6.000-11.000 8.500-10.000 10.000-50.

Schritte zur Einführung neuer Technologien in den bestehenden Energiemarkt spezifische Stromerzeugungskosten [ /kwh] Subventionierte Märkte Markteinführung mit Hilfe von gesetzlichen Regelungen Grüne

17 Schritte zur Einführung neuer Technologien in den bestehenden Energiemarkt spezifische Stromerzeugungskosten [ /kwh] Subventionierte Märkte Markteinführung mit Hilfe von gesetzlichen Regelungen Grüne Märkte Ende der Subventionierung; Bereitschaft der Kunden zur Mehrbelastung Nischenmärkte Etablierung am Markt durch Versorgung in speziellen Anwendungen Nachhaltige globale Märkte Wettbewerbsfähige Kosten im Vergleich marktüblichen Preisen aktuelle Kosten Marktpreis für Mittellaststrom aus etabliertem Brennstoff 0,04 /kwh Start-Jahr nach 5 Jahren nach 10 Jahren nach 15 Jahren nach 20 Jahren Neue Technologien müssen den Kostenvergleich mit etablierten Konzepten bestehen. Enertec

Anwendungen Nachhaltige globale Märkte Wettbewerbsfähige Kosten im Vergleich marktüblichen Preisen aktuelle Kosten Marktpreis für Mittellaststrom aus etabliertem Brennstoff

18 Zusammenfassung Synergie-Effekte in Hybrid-Systemen ermöglichen über die Steigerung der Komponentenwirkungsgrade die effiziente Schonung von Ressourcen und Umwelt Hybrid-Systeme aus Gas- und Dampfturbinen sowie Brennstoffzellen und Mikrogasturbinen zur Wärme- und Stromerzeugung besitzen das höchste CO 2 -Vermeidungspotenzial aufgrund ihres hohen Wirkungsgradpotenzials Forschungs- und Entwicklungsprojekte zur Bereitstellung neuer Werkstoffe, innovativer Kühltechnologien, optimierte Verbrennungsprozesse und optimierter Herstellungsmethoden werden notwendige Quantensprünge in der Energienutzung ermöglichen Konsequente Weiterentwicklung effizienter Auslegungs- und Herstellungsverfahren bilden die notwendige Basis für die Wettbewerbsfähigkeit jedes technischen Systems Neue Technologien müssen für den Weltmarkt entwickelt werden so kann der Technologie-Standort Deutschland gesichert werden Enertec

Entwicklungsprojekte zur Bereitstellung neuer Werkstoffe, innovativer Kühltechnologien, optimierte Verbrennungsprozesse und optimierter Herstellungsmethoden werden notwendige Quantensprünge in der

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