Der Festoxidbrennstoffzellengenerator im Hybridkraftwerk – Untersuchung von Betriebsweisen und ihrer Wirtschaftlichkeit

Brennstoffzellen setzen chemisch gespeicherte Energie direkt in elektrische Energie um und bieten daher einen hohen Wirkungsgrad im Gegensatz zu Verbrennungsmaschinen. Kombiniert man eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einer Gasturbine zu einem Hybridkraftwerk, so kann der Wirkungsgrad noch einmal deutlich gesteigert werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich hauptsächlich mit dem Brennstoffzellensystem in einem Hybridkraftwerk. Diese hocheffiziente Verschaltung von Gasturbine mit Festoxidbrennstoffzelle wird detailliert besprochen und verschiedene Verschaltungsvarianten werden diskutiert. Im Weiteren werden die Grundlagen der entwickelten Modelle vorgestellt und die Komponenten eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems beschrieben. Dies umfasst auch detaillierte Datenbanken zu den Stoffeigenschaften sowie Modelle zur Wärmeübertragung. Aus den modellierten Systemkomponenten zur Entschwefelung, Dampfversorgung, Reformierung und Nachverbrennung wird zusammen mit dem Brennstoffzellenmodell ein Systemmodell erstellt, das mittels geeigneter Regelungsansätze gesteuert wird. Das Systemmodell wird anhand von experimentellen Ergebnissen validiert um anschließend Untersuchungen zum dynamischen Verhalten des SOFC-Systems durchzuführen.

Es werden Lastsprünge simuliert, aus denen das Verhalten des Systems erkennbar ist. Am Modell werden Untersuchungen zum Druckverhalten des Systems durchgeführt und ein Zusammenhang zwischen Betriebsdruck und Wirkungsgrad gezeigt. Darüber hinaus werden sowohl künstliche Lastprofile als auch Tageslastgänge von Wohngebieten simuliert. Es ergibt sich aus den langen Teillastbetrieben während der Tagesgänge der Bedarf für ein aktives Wärmemanagement im System. Dazu werden vier Modifikationen der Betriebsweise untersucht, die detailliert diskutiert werden.

Als erstes Bewertungskriterium wird dabei der Systemwirkungsgrad herangezogen. Es wird gezeigt, dass der Wirkungsgrad des SOFC Systems im Lastfolgebetrieb sehr hohe Werte erreicht. Dabei ist vor allem eine Betriebsweise mit Gasheizung vor dem Reformer herausragend.

Zur genaueren Betrachtung des Systemverhaltens wird ein einfaches Wirtschaftlichkeitsmodell vorgestellt, mit dem verschiedene Betriebsweisen des Systems untersucht werden. Unter der Annahme von festen Gas- und Strompreisen ergeben sich weitere Erkenntnisse für die Wirtschaftlichkeit des Lastfolgebetriebs. Die Ergebnisse dieser Betrachtung zeigen sich teilweise komplementär zu den Ergebnissen der Wirkungsgradbetrachtung. Betriebsweisen, die gute Wirkungsgrade aufweisen, schneiden in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung teilweise schlecht ab. Zum Abschluss wird das Wirtschaftlichkeitsmodell dazu verwendet, die Amortisationszeiten des Systems bei verschiedenen Strom- und Erdgaspreisen zu untersuchen. Dabei zeigt sich, dass bei Volllast zwar hohe Einkünfte und kurze Amortisationszeiten zu erwarten sind, die Sensitivität gegenüber Strom- und Erdgaspreisen jedoch relativ hoch ist während andere Betriebsweisen hier Vorteile versprechen.