Modellgestützte, dynamische Untersuchung zum effizienten Betrieb von Festoxid-Brennstoffzellensystemen

Um die Lastflexibilität von SOFC-Brennstoffzellensystemen zu erhöhen, ist eine ganzheitliche Systembetrachtung erforderlich, die das Systemkonzept, die Bauweise und die Betriebsweise adressiert. Dies wird in vorliegender Arbeit für Systeme im kleinen Leistungsbereich (1 kWel) gezeigt. Mit Hilfe von niederdimensionalen, dynamischen Systemmodellen wird die Aufheizung, das Hotbox-interne Wärmemanagement und der Hot Stand-By Betrieb untersucht.

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Festoxid-Brennstoffzellen (engl.: solid oxide fuel cells, SOFC) können als alternative Wandler zur Bereitstellung von Strom und Wärme eingesetzt werden. Der hohe elektrische Wirkungsrad ist ein entscheidender Vorteil gegenüber anderen Technologien, vor allem im kleinen Leistungsbereich (1 kWel). Das Lastfolgeverhalten der SOFC-Systeme ist jedoch durch die energieintensive Aufheizphase und die limitierte Zyklenanzahl beschränkt. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Analyse des Aufheiz- und Teillastverhaltens und zeigt Verbesserungspotenziale auf. Adressiert wird die Betriebsweise, das Systemkonzept, sowie die Bauweise. Dazu wird ein dynamisches, verfahrenstechnisches Systemmodell in der Modellierungssprache Modelica entwickelt, dass niederdimensionale Komponentenmodelle verbindet und mit kurzen Simulationszeiten (0,5 % der Echtzeit) eine Abbildung des Systemverhaltens ermöglicht. Die Modelle sind mit Messdaten parametriert und validiert. So kann auch das thermisch stark-gekoppelte Verhalten eines Hotbox-basierten Systems analysiert werden. Schließlich zeigt eine Jahressimulation zum Einsatz des Geräts als Stromerzeuger im Hausenergiebereich den Nutzen des Hot-Standby-Betriebs.