Reversible wasserstoffbetriebene Festoxidzellensysteme

Frank, Matthias Helmut; Scherer, Viktor; Stolten, Detlef

doi:HT020426885

Reversible wasserstoffbetriebene Festoxidzellensysteme = Reversible hydrogen-powered solid oxide fuel cells systems

Frank, Matthias Helmut^RWTH*

2019 & 2020

VerantwortlichkeitsangabeMatthias Helmut Frank

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2019

Umfang1 Online-Ressource (187 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-430-0

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 475

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Druckausgabe: 2019. - Onlineausgabe: 2019. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)^RWTH* ; Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-06-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-03948
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/787163/files/787163.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie sollen in Zukunft einen Großteil des elektrischen Strombedarfs decken. Die dort vorhandene natürliche Fluktuation führt jedoch zu einer schwankenden Stromproduktion, die nicht immer deckungsgleich zum Strombedarf ist. Ein Lösungsansatz stellt die Speicherung von überschüssigem Strom und die daran anschließende zeitlich versetzte Rückverstromung bei Strombedarf dar. Aufgrund der großen Energiemengen eignen sich hierfür vor allem chemische Speicher. Zur Umsetzung dieses Lösungsansatzes kann zunächst die Umwandlung von elektrischer in chemischer Energie mittels Festoxidzellen durch Wasserdampfelektrolyse erfolgen. Der dabei gewonnene Wasserstoff wird zwischengespeichert und anschließend mit denselben Festoxidzellen im Brennstoffzellenbetrieb rückverstromt. Dadurch ergibt sich ein ökonomischer Vorteil gegenüber Systemen mit zwei Festoxidzellenstapeln. Dieses reversible Festoxidzellensystem (rSOC-System) ist durch den reinen Wasserstoff-/Wasserdampfbetrieb besonders umweltfreundlich und setzt sich dadurch von den bekannten rSOC-Systemen ab, die kohlenstoffhaltige Energieträger verwenden. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, ein technisch und ökonomisch effizientes wasserstoffbasiertes rSOC-System zu erforschen. Dabei stehen zunächst die Erarbeitung des Systemaufbaus sowie die Entwicklung von Betriebsstrategien, die einen sicheren und schnellen Betriebspunktwechsel erlauben, im Vordergrund. Um ein technisch hocheffizientes rSOC-System zu erarbeiten, wurden die Systemkomponenten experimentell untersucht. Darauf aufbauend wurden dynamische Komponentenmodelle erstellt, die mit Hilfe der Untersuchungsergebnisse validiert wurden. Aus der Zusammenschaltung der validierten Komponentenmodelle resultieren die Systemmodelle, die Untersuchungen auf der Systemebene ermöglichen. Die daran anschließende Wirtschaftlichkeitsanalyse stellt die ökonomische Sinnhaftigkeit der erarbeiteten rSOC-Systeme dar. Diese berücksichtigt unterschiedliche Stückzahlen, Systemgrößen und Systemvarianten. Den Einfluss von variierenden Stromgestehungskosten und Betriebsstunden zeigt die durchgeführte Sensitivitätsanalyse. Zunächst wurde ein rSOC-Basissystem erarbeitet, welches nur die für den Betrieb notwendigen Komponenten enthält. Dieses System erzielte einen Wirkungsgrad von 43,4 % und diente als Ausgangspunkt zur Untersuchung von effizienzsteigernden Maßnahmen. Zum einen konnte der Wirkungsgrad über eine interne Wärmeverschaltung im Elektrolysebetrieb auf 45,5 % gesteigert werden und zum anderen wurde der parasitäre Systemverbrauch über eine brenngasseitige Rezyklierschleife im Brennstoffzellenbetrieb signifikant reduziert. Der in der Rezyklierschleife enthaltene Kondensator ermöglicht überwiegend die Rückführung von Wasserstoff, wodurch der Gesamtwirkungsgrad auf 49,9 % angehoben werden konnte. Die für dieses finale rSOC-System erarbeiteten Betriebsstrategien ermöglichen unter anderem einen Systemanfahrvorgang in nur zwei Stunden. Der Lastwechsel von Volllast auf 50 % Teillast benötigt im Brennstoffzellenbetrieb zehn Minuten und im Elektrolysebetrieb drei Minuten. Ein Umschaltvorgang zwischen diesen beiden Betriebsmodi ist in unter fünf Minuten möglich. Dabei wurden die für die Festoxidzellen kritischen Betriebsbereiche analysiert und gemieden. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse zeigte, dass ein 5 kW rSOC-System als alternative zum Stromnetzbezug bereits ab 100 Einheiten wirtschaftlich sein kann. Dieses System amortisiert sich bereits nach sieben Jahren. Dabei resultieren Stromgestehungskosten in Höhe von 0,232 €/kWh (100 Einheiten) bis zu 0,148 €/kWh (100.000 Einheiten). rSOC-Systeme mit größerer Leistung (≥ 50 kW) amortisieren sich erst später und mit höherer Stückzahl, da die konkurrierenden Strompreise bei Netzbezug mit steigender Abnahmemenge sinken.

Renewable energy sources such as wind and solar energy shall cover a large part of the electricity demand in the future. However, the natural fluctuation of these energy sources leads to a fluctuating electricity production, which is not always in accordance with demand. The storage of surplus electricity and the delayed reconversion in case of electricity demand represents a solution to counteracting this issue. Due to the large amount of energy, a chemical storage is particularly suitable for this purpose. To realize this solution, conversion of electrical into chemical energy with solid oxide cells by steam electrolysis can takes place first. The produced hydrogen is temporarily stored and will be reconverted at electricity demand with the same solid oxide cells by fuel cell operation. This offers an economic advantage over systems with two solid oxide cell stacks. Due to the pure hydrogen/steam operation, this reversible solid oxide cell system (rSOC-system) is environmentally friendly and thereby differs from the known rSOC-systems which are using carbonaceous energy sources. The main objective of this work is the research of a technically and economically efficient hydrogen-powered rSOC-system. First, the developments of the system design and of the operating strategies, which should ensure a safe and fast operating point change, have priority. In order to develop a highly efficient rSOC-system, the system components were investigated experimentally. Based on this, dynamic component models were created, which were validated with the help of the examination results. The ensuing system models are basing on the interconnection of the validated component models and allow investigations at system level. The final economic analysis represents the economic viability of the investigated rSOC-systems. This analysis takes different quantities, system sizes and system designs into account. The influence of varying electricity generation costs and operating hours is shown in a sensitivity analysis. First, an rSOC basic system was developed that only contains necessary components for operation. This system achieved an efficiency of 43.4% and is the starting point for the investigation of efficiency enhancing-measures. On the one hand, the efficiency could be increased to 45.5% via an internal heat recovery in electrolysis operation and, on the other hand, the parasitic system consumption could be significantly reduced with the integration of an off-gas recirculation. In addition, a condenser is included in the recirculation which mainly enables the recirculation of hydrogen and leads to an efficiency increase to 49.9%. The operating strategies developed for this final rSOC-system enables, inter alia, a system startup in two hours. The load change from full load to 50% partial load takes ten minutes in fuel cell operation and three minutes in electrolysis operation. Switching between these two operating modes is possible in less than five minutes. For the solid oxide cells critical operating areas were analyzed and avoided. The economic analysis showed that a 5 kW rSOC-system can be economical from 100 units upwards in comparison to mains supply. This system pays for itself after only seven years, resulting in electricity generation costs of € 0.232 / kWh (100 units) up to € 0.148 / kWh (100,000 units). rSOC-systems with higher power output (≥ 50 kW) pay for themselves later and at higher quantities because the competing electricity price by mains supply decreases with increasing purchase quantities.

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