Brennstoffzellen-Systementwicklung für µkwk-anwendungen Marc Heddrich, Matthias Jahn, Ralf Näke Kolloquium neue Verfahren und Materialien für Energie- und Umwelttechnik Zwickau, den 04. November 2010 www.ikts.fraunhofer.de
Gliederung Vorstellung des Fraunhofer IKTS Grundlagen zu Brennstoffzellensystemen Brennstoffzellen-Systementwicklung am Fraunhofer IKTS Anwendungsbeispiele für µkwk mit SOFC-Systemen Zusammenfassung Seite 2
Fraunhofer IKTS im Profil Stammpersonal: 222 (+130) Student. Hilfskräfte: 45 Betriebshaushalt: 22,1 Mio Industrieerträge: 36,8 % Öffentliche Erträge: 44,2 % Grundfinanzierung: 19 % Nutzfläche: 102 Labore und Technika auf fast 9500 m² Institutsleiter: Standort Dresden Prof. Dr. Alexander Michaelis Standort Hermsdorf (seit Januar 2010) zertifiziert nach DIN EN ISO 9001:2000 Stand: März 2010 Seite 3
Grundlagen zu Brennstoffzellensystemen Funktionsprinzip einer Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) 2 1/ 2O2 2e O 2 H2 O H2O 2 e Quelle: Karlsruher Institut für Technologie Seite 4
Grundlagen zu Brennstoffzellensystemen Gründe für das Interesse an der Brennstoffzellennutzung Elektrischer Wirkungsgrad von Biogas-BHKW-Anlagen Quelle: ASUE Hohe Verstromungswirkungsgrade Keine beweglichen Teile Potential für die Nutzung von regenerativen Energien Seite 5
Grundlagen zu Brennstoffzellensystemen Komponenten eines Brennstoffzellensystems Prozesssteuerung / Stromkonditionierung SPS = ~ 230 V / 50 Hz el. Energie Brenngas-Konditionierung HotBox 800.. 850 C P DC Brenngas Trocknung Entschwefelung Reformer Brenngas SOFC Stack Abgas Porenbrenner Zuluft 850 C Abluft Luft-Konditionierung Wärmenutzung Umgebungsluft Filtration Luftvorw ärmung Nutzw ärmeauskopplung Abgas Nutzw ärme Seite 6
SOFC-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 7
Grundlagen zu Brennstoffzellensystemen Leistungsklassen und Märkte 1 W 100 W 1 kw >10 kw Mobil Mobil Mikro-KWK Stationäre Anlagen Wasserstoff LPG, Methanol Erdgas Erdgas, Biogas PEMFC DMFC, PEMFC, SOFC PEMFC, SOFC SOFC, MCFC Seite 8
Biogasbasierte SOFC-Systeme SOFC-Systeme in biogasbasierten µkwk-anwendungen Automatisierter Betrieb im autarken Laborcontainer Betrieb auf der Kläranlage Roßwein Installation einer Biogas-Entschwefelung Kopplung des Systems mit der Gaserzeugung P el,dc = 1 kw mit P ch,ein = 3,2 kw 1500 h Laufzeit nachgewiesen Das Verbundprojekt wird gefördert mit EU- Forschungsmitteln und Geldern des Landes Sachsen Seite 9
Biogasbasierte SOFC-Systeme Weiterentwicklung des Start- und Nachbrenners 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 Aktueller Stand der Gemischbildungsoptimierung Erhebliche Verbesserung des Emissionsverhaltens durch neue Gemischbildung Einhaltung Blauer Engel Seite 10
Biogasbasierte SOFC-Systeme Projektergebnisse und Weiterentwicklungen in Folgeprojekten Systemversion V1 V1 V2 Ziel Dauerlast (DL)/ Spitzenlast (SL) Elektrischer Bruttowirkungsgrad Thermischer Wirkungsgrad Thermischer Verlustgrad DL SL DL DL 0,31 0,44 0,31 0,40 0,19 0,08 0,30 0,40 0,50 0,48 0,39 0,20 Quelle: ASUE Geplante Weiterentwicklungen in Folgeprojekten: Signifikante Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades Stärkere interne Kopplung der Systemkomponenten Weiterentwicklung des Isolierungskonzeptes Verbesserung der Betriebsführungsstrategien Seite 11
Erdgasbasierte SOFC-Systeme µkwk in der Hausenergieversorgung Leistungswerte (Nennbetrieb) Elektrische Leistung: Thermische Leistung: Gasbelastung: 1 kw 1,8 kw 3,3 kw Effizienz Elektrischer Wirkungsgrad: 30 % Thermischer Wirkungsgrad: 55 % Gesamtwirkungsgrad: 85 % Modulationsbereich: 1 : 2 Startdauer: Start/Stop Fähigkeit ca. 2 h gegeben Seite 12
Erdgasbasierte SOFC-Systeme Das Callux-Feldtestprogramm Praxistest von Brennstoffzellen-Heizgeräten 41 Mio. Fördermittel, 45 Mio. von Konsortialpartnern 800 Anlagen bis Mitte 2012 in Privathaushalten Aufbau von verbindlichen Lieferketten durch größere Stückzahlen Einbindung in vorhandene Versorgungsstrukturen Wissenschaftliche Begleitung der Anlagenhersteller Seite 13
Zusammenfassung Brennstoffzellensysteme für Biogasbetrieb mehrere Systeme im 1kW-Bereich gebaut und getestet Folgeprojekt derzeit in Beantragung Brennstoffzellensysteme für Erdgasbetrieb Mehrere Gerätegenerationen gebaut, getestet und im Dauerbetrieb (ca. 10.000 h) Kooperation mit der Fa. Vaillant Einstieg in den Callux-Feldtest im November 2011 Brenner- und Reformerentwicklung Homogene und katalytische Brenner für Hochtemperaturanwendungen Reaktoren für Biogas-, Erdgas- und Ethanolreforming Langzeitstabilitätsuntersuchungen Seite 14
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Von der Biomasse bis zu elektrischem Strom und Wärme www.ikts.fraunhofer.de Seite 15