completed Doctorates & Habilitations
Filter: Field Engineering Sciences, Faculty of Mechanical Science and Engineering, Theses, Dissertation & Habilitation
Integration von Hochtemperatur-Brennstoffzellen in Kraftwerksschaltungen
Art der Abschlussarbeit
Dissertation
Autoren
- Nehter, Pedro
Betreuer
- Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann
Abstract
Neben den vielfältigen Aktivitäten zur Brennstoffzellenentwicklung in den verschiedenen Leistungsbereichen:
- Mini-Brennstoffzelle als Batterieersatz für elektronische Geräte
- Brennstoffzelle im mobilen Sektor als Antriebsquelle für die Fortbewegung (Automobile, Schiffe, U-Boote)
- Brennstoffzelle als Heizkesselalternative im TGA-Bereich (1 bis 5 kWel)
war das Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk im Leistungsbereich 100 kW bis einige MW Ziel der Untersuchungen von Herrn Nehter. Das größte thermodynamische Potenzial ist bei den Hochtemperatur-Brennstoffzellen vorhanden (MCFC, SOFC), wobei die größten Erwartungen bei Brennstoffzellen mit oxidkeramischen Elektrolyten mit Prozesstemperaturen von 800 bis 1000 °C liegen. Der thermodynamische Gütegrad von oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) liegt mit über 90 % weit über dem der Niedertemperatur-Brennstoffzellen (z. B. PEM-FC). Die SOFC gibt neben der elektrochemisch erzeugten Elektroenergie zusätzlich Exergie mit dem hochtemperierten Abgas ab, die in klassischen Kreisprozessen zu Elektroenergie gewandelt werden kann. Durch diese Kopplung der Brennstoffzelle mit dem Kreisprozess unter weiterer Berücksichtigung von Reformierung und Wärmeverschiebungen, Dampferzeugung für den Reforming-Prozess, Einsatz von Pumpen und Verdichtern werden komplizierte Konfigurationen geschaffen, deren Effizienznachweis und Optimierung ohne exakte computergestützte Kreislaufberechnung nicht möglich ist. Herrn Nehter hatte deshalb die Aufgabe, unter Nutzung kommerzieller Software („Ebsilon“) und Schaffung noch nicht vorhandener Software-Module und deren Einbindung in „Ebsilon“ die Voraussetzung für Systemberechnungen und Systemoptimierungen zu schaffen, um kreative Schaltungsideen zu bewerten.
Der Doktorand hat als Voraussetzung der Kreislaufberechnungen mit Brennstoffzellen neue Simulationsmodelle geschaffen.
Eine zusätzlich erforderliche Leistung war die Schaffung der Grundlagen als Stoffwerteprogramme für den innovativen Alkalidampfprozess. Dieser Prozess wurde als Nachschaltprozess der SOFC gewählt, weil er als Dampfkreisprozess eine isotherme Wärmeauskopplung aus dem Stack durch Verdampfung des flüssigen Metalls und eine isotherme Ankopplung eines Wasserdampf-Nachschaltprozesses am Ende der thermodynamischen Wandlungskette ermöglicht, also einen dem Carnotprozess sehr nahe kommenden Kreisprozess. Bei Gaskreisprozessen (Joule-Prozesse) ist das nicht möglich. Deshalb müssen bei der klassischen Gaskühlung des Stacks durch Luftüberschuss unterschiedliche (steigende) Prozesstemperaturen entlang des Strömungsweges akzeptiert werden. Mit diesen neu geschaffenen Tools und der Standardsoftware „Ebsilon“ wurden dann verschiedene Systeme durchgerechnet. Lobend muss erwähnt werden, dass für alle Teilprozesse auch die exergetischen Verluste berechnet und auf den Schaltbildern sowie in den entsprechenden Tabellen ausgewiesen sind, so dass neben der Prozessberechnung auch eine Irreversibilitätsanalyse durchgeführt wurde. Die Bilanzen „freie Brennstoffenthalpie = erzeugte Arbeit + Exergieverluste“ sind erfüllt, die Verlustquellen in ihrer Position (Anlagenelement), ihrer Größe und Bedeutung erkannt.
Herr Nehter hat sich trotz der enormen Arbeit des physikalisch-technischen Teils auch einer Betrachtung der Wirtschaftlichkeit der beschriebenen Schaltungen gestellt. Er leitet aus bekannten Preisen für den traditionellen Anlagenumfang Kosten und Kostendegressionen ab, die durch Stückzahl und Einheitsleistungserhöhung begründet sind. Auch für den innovativen Teil (Stackkosten) leitet er Forderungen zur Kostensenkung ab, die nicht nur durch die höhere Stückzahl und Einheitsleistung, sondern auch noch durch erhebliche technologische Entwicklung erbracht werden müssen. Es ist interessant, dass zur Kostenreduzierung auch eine Effizienzminderung durch größere Leistungsdichten in Betracht kommen kann, was die Effizienzverbesserung dieser technologischen Neuentwicklung gegenüber dem GuD-Prozess verringern kann. Herr Nehter stellt diesen Zusammenhang dar. Hohe Leistungsdichten bedeuten große Exergieverluste, aber geringere Investitionen. Dieses Optimierungskriterium wird bei besserer Kenntnis der zukünftigen Herstellungskosten noch eine große Rolle spielen und sicher zum Verzicht auf Bestwirkungsgrade führen. Trotzdem resümiert der Doktorand, dass die wirtschaftlichen Zielkosten im Bereich einiger Hundert Megawatt realistisch sind. Das bedeutet jedoch, dass solche Brennstoffzellen-Kraftwerke nicht mehr den dezentralen Energiesystemen zuzuordnen sind.
- Mini-Brennstoffzelle als Batterieersatz für elektronische Geräte
- Brennstoffzelle im mobilen Sektor als Antriebsquelle für die Fortbewegung (Automobile, Schiffe, U-Boote)
- Brennstoffzelle als Heizkesselalternative im TGA-Bereich (1 bis 5 kWel)
war das Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk im Leistungsbereich 100 kW bis einige MW Ziel der Untersuchungen von Herrn Nehter. Das größte thermodynamische Potenzial ist bei den Hochtemperatur-Brennstoffzellen vorhanden (MCFC, SOFC), wobei die größten Erwartungen bei Brennstoffzellen mit oxidkeramischen Elektrolyten mit Prozesstemperaturen von 800 bis 1000 °C liegen. Der thermodynamische Gütegrad von oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) liegt mit über 90 % weit über dem der Niedertemperatur-Brennstoffzellen (z. B. PEM-FC). Die SOFC gibt neben der elektrochemisch erzeugten Elektroenergie zusätzlich Exergie mit dem hochtemperierten Abgas ab, die in klassischen Kreisprozessen zu Elektroenergie gewandelt werden kann. Durch diese Kopplung der Brennstoffzelle mit dem Kreisprozess unter weiterer Berücksichtigung von Reformierung und Wärmeverschiebungen, Dampferzeugung für den Reforming-Prozess, Einsatz von Pumpen und Verdichtern werden komplizierte Konfigurationen geschaffen, deren Effizienznachweis und Optimierung ohne exakte computergestützte Kreislaufberechnung nicht möglich ist. Herrn Nehter hatte deshalb die Aufgabe, unter Nutzung kommerzieller Software („Ebsilon“) und Schaffung noch nicht vorhandener Software-Module und deren Einbindung in „Ebsilon“ die Voraussetzung für Systemberechnungen und Systemoptimierungen zu schaffen, um kreative Schaltungsideen zu bewerten.
Der Doktorand hat als Voraussetzung der Kreislaufberechnungen mit Brennstoffzellen neue Simulationsmodelle geschaffen.
Eine zusätzlich erforderliche Leistung war die Schaffung der Grundlagen als Stoffwerteprogramme für den innovativen Alkalidampfprozess. Dieser Prozess wurde als Nachschaltprozess der SOFC gewählt, weil er als Dampfkreisprozess eine isotherme Wärmeauskopplung aus dem Stack durch Verdampfung des flüssigen Metalls und eine isotherme Ankopplung eines Wasserdampf-Nachschaltprozesses am Ende der thermodynamischen Wandlungskette ermöglicht, also einen dem Carnotprozess sehr nahe kommenden Kreisprozess. Bei Gaskreisprozessen (Joule-Prozesse) ist das nicht möglich. Deshalb müssen bei der klassischen Gaskühlung des Stacks durch Luftüberschuss unterschiedliche (steigende) Prozesstemperaturen entlang des Strömungsweges akzeptiert werden. Mit diesen neu geschaffenen Tools und der Standardsoftware „Ebsilon“ wurden dann verschiedene Systeme durchgerechnet. Lobend muss erwähnt werden, dass für alle Teilprozesse auch die exergetischen Verluste berechnet und auf den Schaltbildern sowie in den entsprechenden Tabellen ausgewiesen sind, so dass neben der Prozessberechnung auch eine Irreversibilitätsanalyse durchgeführt wurde. Die Bilanzen „freie Brennstoffenthalpie = erzeugte Arbeit + Exergieverluste“ sind erfüllt, die Verlustquellen in ihrer Position (Anlagenelement), ihrer Größe und Bedeutung erkannt.
Herr Nehter hat sich trotz der enormen Arbeit des physikalisch-technischen Teils auch einer Betrachtung der Wirtschaftlichkeit der beschriebenen Schaltungen gestellt. Er leitet aus bekannten Preisen für den traditionellen Anlagenumfang Kosten und Kostendegressionen ab, die durch Stückzahl und Einheitsleistungserhöhung begründet sind. Auch für den innovativen Teil (Stackkosten) leitet er Forderungen zur Kostensenkung ab, die nicht nur durch die höhere Stückzahl und Einheitsleistung, sondern auch noch durch erhebliche technologische Entwicklung erbracht werden müssen. Es ist interessant, dass zur Kostenreduzierung auch eine Effizienzminderung durch größere Leistungsdichten in Betracht kommen kann, was die Effizienzverbesserung dieser technologischen Neuentwicklung gegenüber dem GuD-Prozess verringern kann. Herr Nehter stellt diesen Zusammenhang dar. Hohe Leistungsdichten bedeuten große Exergieverluste, aber geringere Investitionen. Dieses Optimierungskriterium wird bei besserer Kenntnis der zukünftigen Herstellungskosten noch eine große Rolle spielen und sicher zum Verzicht auf Bestwirkungsgrade führen. Trotzdem resümiert der Doktorand, dass die wirtschaftlichen Zielkosten im Bereich einiger Hundert Megawatt realistisch sind. Das bedeutet jedoch, dass solche Brennstoffzellen-Kraftwerke nicht mehr den dezentralen Energiesystemen zuzuordnen sind.
Zugeordnete Forschungsschwerpunkte
- Zentrale und dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung sowie (Kraft-) Wärme-Kälte-Kopplung
Berichtsjahr
2004
This information is provided by FIS.
This information is available in German only.