Reversible wasserstoffbetriebene Festoxidzellensysteme

Jülich / Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2019, 2020) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (187 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

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.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Frank, Matthias Helmut

Gutachterinnen und Gutachter

Stolten, Detlef
Scherer, Viktor

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-95806-430-0
  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-03948

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