Fachkonferenz Energietechnologien 2050 Brennstoffzellen Dipl.-Ing. Ulf Birnbaum Institut für Energieforschung Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEF-STE) Forschungszentrum Jülich GmbH Berlin, 26. Mai 2009
Brennstoffzellen-Hybridkraftwerk Hochtemperaturbrennstoffzelle Mikro-Gasturbine Brennkammer e - e - Verdichter Turbine SOFC H 2 H 2 O O 2- O 2 Organic Rankine Cycle Modul MCFC H 2 CO 2 H 2 O Anode CO 3 2- Elektrolyt Kathode O 2 CO 2 Verdampfer Turbine
Gegenüberstellung von Emissionswerten 120 Brennstoffzelle Gasturbine Verbrennungsmotor Emissionen [mg/mj] 100 80 60 40 20 0 100 80 30 25 10 2 0,5 1 2 NMHC NO X CO NMHC NO X CO NMHC NO X CO Quelle: MTU Onsite Energy
Elektrische Wirkungsgrade von Energiewandlern 70 60 BZ-Hybridkraftwerk *) GuD-Kraftwerk el [%] 50 40 HT-BZ *) Gasmotor Dampfturbinenkraftwerk 30 NT-BZ *) Gasturbine 20 Mikro-Turbine ORC-Turbine 10 0,1 1 10 100 1.000 Leistung [MW] *) Brennstoff: Erdgas oder Biogas mit hohem CH 4 -Anteil HT-BZ: Hochtemperatur-Brennstoffzelle NT-BZ: Niedertemperatur-Brennstoffzelle Quellen: COOROTEC, Siemens, FZJ, Bohn, DLR-VT, MTU, LTTT Bayreuth, RWE
Mit BZ-Hybridkraftwerken realisierte elektrische Wirkungsgrade el = 52 % SOFC / Mikro Gasturbine, Testanlage 229 kw el, Druckbetrieb, Erdgas, 2007/2008, Mitsubishi Heavy Industries, Japan el = 58 % MCFC / unbefeuerte Mikro Gasturbine, Stromerzeugung 288 kw el, Erdgas, 2006, FuelCell Energy, USA el = 65 % MCFC / Turboexpander, Stromerzeugung 2,2 MW el, Erdgas, 2008, FuelCell Energy-Enbridge, Canada el = 54 % MCFC / Organic Rankine Cycle, Stromerzeugung 240 kw el, Erdgas, Start Juni 2009, Krankenhaus Grünstadt, Deutschland Pfalzwerke, MTU Onsite Energy, Lti Adaturb und andere
Einordnung des Entwicklungsstandes Forschung Demonstration Verfügbar 1 5 kw 10 100 kw 250 kw 10 MW Large SOFC VTT; FZJ; Topsoe Wärtsilä; et.al. Konzepte, Komponenten (EU-Projekt) Hybrid SOFC/MT DLR-VT PEFC oder SOFC als APU BMW/Ebersbächer, FEV SOFC CH 4, Biogas etc. FZ-Jülich, IKTS Staxera, DLR Hybrid MCFC/ORC MTU Onsite Energy CH 4, biogene Gase Gewerbe Handel Dienstleistung (GHD) PEFC Baxi Innotech, Vaillant, Viessmann, Inhouse Engineering GmbH SOFC Hexis, Vaillant, Ceramic Fuel Cell, Webasto (HCStark, Enerday, Staxera) MCFC MTU Onsite Energy (FuelCell Energy) CH 4, biogene Gase, Methanol PEFC Mobilität Daimler, VW, Ford, Opel Lebensmittelindustrie, Krankenhaus, Versorger DMFC Smart Fuel Cell Freizeit, Mobilität, Überwachung, Militär SOFC = Solid Oxide Fuel Cell MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell PEFC = Polymer Electrolyte Fuel Cell DMFC = Direct Methanol Fuel Cell APU = Auxiliary Power Unit ORC = Organic Rankine Cycle MT = Mikro-Turbine
F&E-Aufgaben: Zuverlässigkeit steigern, Kosten senken Bereich BZ-Gaserzeugung BZ-Stack BZ-System Hybridkomponenten Gesamtsystem Schlüsselthemen Reformermaterialien (z.b. Legierungen) Katalysatoren Reduktion der Alterung /Degradation Verbesserung der Thermozyklierbarkeit Verbesserte Fügetechnik /Dichtungswerkstoffe Verbesserte Komponentenwerkstoffe Peripheriekomponenten (BoP) Sensorik (Smart Sensor) Reduktion der Komplexität Sicherheitstechnik Diagnosemethoden im System Downsizing / Neuentwicklung Nachweis der Integrationsfähigkeit Betriebskonzepte (Start / Stopp / Not-Aus) F&E öff / ind industriell öff / ind öff / ind industriell öff / ind öff / ind
Fazit Effizienz- und Klimaschutzanforderungen an die Stromerzeugung werden zunehmen. Brennstoffzellen-Hybridkraftwerke haben das Potential, die Anforderungen zu erfüllen, - die elektrischen Wirkungsgrade sind sehr hoch, - das Emissionsniveau ist gering, - Brenngase aus Biomasse und Reststoffen sind gut einsetzbar, - für die Leistungsgrößen existiert ein Markt (GHD, Industrie). Entwicklungsbedarf ergibt sich aus der Notwendigkeit, - die hohen Material- und Fertigungskosten zu reduzieren, - die Anlagenstandzeiten zu verlängern, - die technische Reife der Gesamtsysteme zu verbessern.
MCFC/ORC-Hybridkraftwerk Kamin 40 C ORC-Anlage 30 kw Thermoölkreislauf 270 C 380 C Kreiskrankenhaus Grünstadt HotModule 210 kw Quelle: Szabliniski, Pfalzwerke MTU Onsite Energy LTi ADATURB
SOFC/Mikroturbinen Hybridkraftwerk Erdgas T = 599 C p = 2,95 bar T = 899 C p = 2,7 bar SOFC T = 799 C p = 2,93 bar T = 599 C p = 2,95 bar Luft T = 154 C p = 3,02 bar T = 610 C p = 2,9 bar T = 154 C p = 3,02 bar Verdichter Turbine T = 645 C p = 1,05 bar T = 228 p = 1,03 bar Quelle: nach DLR-VT Rekuperator