Experimentell-theoretische Untersuchungen zur Optimierung eines SOFC-Systems mit Anodengasrezirkulation

Abstract

In Zeiten zunehmender Rohstoffknappheit und fortschreitendem Klimawandel zeigt sich ein starker Trend im mobilen Sektor hinsichtlich Alternativen in der Energiebereitstellung. [14, 52] Die Solid-Oxide-Fuel-Cell (SOFC)-Technologie kann mit einem elektrischen Wirkungsgrad von über 50 % eine unmittelbare wirtschaftliche Alternative zu handelsüblichen Dieselgeneratoren (< 40 % elektrischer Wirkungsgrad) darstellen. [51] Die Realisierung hocheffizienter Systeme durch Kombination eines SOFC-Systems mit der Reformierung höherer Kohlenwasserstoffe ist mit einigen technischen Herausforderungen verbunden, für die es Lösungen zu finden gilt. Das hohe Marktpotential und die Flexibilität des Systemdesigns wird in dieser Arbeit durch die Identifikation von verfahrenstechnischen Optimierungsmöglichkeiten mittels einer experimentell-theoretischen Analyse verdeutlicht. Einem Überblick über die Komponenten eines hocheffizienten SOFC-Systems mit Anodengasrezirkulation folgt die Darstellung der softwarebasierten Modellierung. Das Modell wird mit Hilfe vorliegender experimenteller Versuchsdaten aus dem Fördervorhaben „Schiffsintegration Brennstoffzelle“ (SchIBZ) im Rahmen des „Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ (NIP) validiert. Im Zuge des Vorhabens wurde ein skalierbarer 50 kW Versuchsträger entwickelt, der für die maritime Anwendung zugelassen ist und zu Demonstrationszwecken an Land betrieben wird. Als Energieträger dient schwefelarmer Diesel, welcher bei unter 600 °C in einem Reformer in ein Synthesegas umgesetzt und der Brennstoffzelle zugeführt wird. Auf der Modellierung des Versuchsträgers aufbauend werden unterschiedliche Betriebskonzepte in Abhängigkeit des Temperaturniveaus der Rezirkulation diskutiert. Die theoretische Analyse der Betriebskonzepte zeigt, dass im Zuge einer Temperatursteigerung der Rezirkulation von 120 °C auf 350 °C bereits eine Effizienzerhöhung um 14 % erreicht werden kann. Diese Optimierung resultiert insbesondere aus den maximierten Rezirkulationsraten (> 60 %) und der im Vergleich zur experimentellen Prozessführung hohen Brennstoffnutzung (> 50 %). Die Brennstoffflexibilität der SOFC ermöglicht zukünftig die Abkehr von fossilen Rohstoffen. Die Verwendung alternativer Energieträger kann neben der erhöhten Nachhaltigkeit des Systems auch prozessuale Vorteile darstellen. Vornehmlich werden in Anlehnung an die Trendanalysen in [14, 52, 77, 87] Liquified Natural Gas (LNG), Ammoniak und Isopropanol als Alternativen zum Diesel betrachtet. Abschließend werden in einer analytischen Herangehensweise Potentiale zur Steigerung der Leistungsfähigkeit aufgedeckt. Aus einer theoretischen Betrachtung der Degradationsmechanismen eines SOFC-Systems und durch Verknüpfung der Erkenntnisse mit den empirischen Erfahrungen, werden Rückschlüsse zur Erhöhung der Langlebigkeit eines Systemdesigns gezogen. Neben materialwissenschaftlichen Aspekten trägt die geschickte Abstimmung von Betriebsparametern zu einer Degradationshemmung bei. Als Beispiel seien hier der Einfluss der Partialdrücke auf die Nickeloxidation an der Anode sowie der Feuchtigkeit des Brenngases auf die Phasenübergänge des Chroms genannt. Die technischen Herausforderungen hinsichtlich der Leistungsbegrenzungen, die durch Experimente mit dem Versuchsträger identifiziert werden konnten, werden systematisch in Kapitel 4.2 dargelegt und Lösungsansätze zur optimalen Ausgestaltung eines langlebigen und effizienten Systems entwickelt. Schlüsselindikatoren sind die Wasserverdampfung, das Wärmekonzept sowie die Ausgestaltung der Rezirkulation. Abgeschlossen wird die Leistungsfähigkeitsanalyse durch die Konzeptionierung eines holistischen Fehlermanagements. Die ganzheitliche Betrachtung berücksichtigt sowohl Degradationsmechanismen als auch leistungshemmende Betriebsfaktoren sowie korrelierende Effekte. Das Konzept unterstützt die Definition von Steuerungs- und Überwachungsfunktionen in zukünftigen Systemdesigns und bereitet auf eine präemptiv gestaltete Automation vor.