Unter den Randbedingungen einer konsequenten Effizienzsteigerung der Energieumwandlung bei gleichzeitiger Minimierung des Schadstoff- und CO2-Ausstoßes und der Erhöhung der Betriebsflexibilität stellt das Hybrid-Kraftwerk, bestehend aus einer Mikrogasturbine (MGT) und einem Hochtemperaturbrennstoffzellensystem (SOFC), eine vielversprechende Lösung dar. Durch die Kopplung der Teilsysteme, wird der eingesetzte Brennstoff effizienter umgesetzt, was den Anlagenwirkungsgrad und somit auch die Wirtschaftlichkeit und die Umweltverträglichkeit erhöht. Abhängig von der Anlagengröße und den verwendeten Komponenten sind grundsätzlich elektrische Wirkungsgrade bis ca. 70% möglich (siehe Bild 1).
Insbesondere bei Systemleistungen im unteren Kilowattbereich (Pel < 50 kW) sind elektrische Wirkungsgrade von 60% und mehr erreichbar. Somit zählt das Hybrid-Kraftwerk langfristig zu den Kraftwerkskonzepten mit den höchsten erreichbaren elektrischen Wirkungsgraden. In Bezug auf die Schadstoffemissionen können Werte von unter 10 ppm NOx und 25 ppm CO bei 15 Vol.% Restsauerstoffgehalt erreicht werden. Zudem ist das Kraftwerk in der Lage schnelle Lastwechsel durchzuführen und einen äußerst niedrigen Teillastbetrieb zu gewährleisten, was die Integration der volatilen erneuerbaren Energien spürbar vereinfacht. Bild 2 veranschaulicht den numerisch ermittelten Betriebsbereich eines Hybridkraftwerks bestehend aus einer Turbec T100 MGT und einer planaren SOFC. Die Leistung kann innerhalb der Temperaturgrenzen der SOFC und der Drehzahlen der MGT in einem sehr breiten Bereich variiert werden.
Ein weiterer Vorteil des Systems ist die Brennstoffflexibilität. Neben konventionellen Brennstoffen ist das Hybrid-Kraftwerk prinzipiell auch für die Nutzung von Biogasen (-> Bio-HyPP EU) geeignet. Zudem deckt das Hybrid-Kraftwerk aufgrund der guten Skalierbarkeit der Anlagengröße ein breites Leistungsspektrum von wenigen Kilowatt bis zu einigen Megawatt ab. Das System eignet sich im dezentralen Bereich, ähnlich wie die Mikrogasturbine oder SOFC Systeme, für die Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), was den Gesamtanlagenwirkungsgrad und somit die Wirtschaftlichkeit erhöht und die CO2- und Schadstoffemissionen verringert. Je nach Anlagengröße können mit diesem dezentralen Kraftwerkssystem Mehrfamilienhäuser, öffentliche Einrichtungen, wie z.B. Krankenhäuser, Schulen oder Kindergärten, Industrie-, Gewerbe- und Handelsbetriebe sowie einzelne Stadtteile effizient mit Energie versorgt werden.
Für die Erforschung, Entwicklung und Umsetzung eines SOFC/MGT Hybrid-Kraftwerksystems arbeitet das Institut in Kooperation mit dem DLR Institut für Technische Thermodynamik seit 2006 in einem langfristig angelegten Forschungsprogramm zusammen. Hierzu wurde ein Arbeitsprogramm aufgestellt, welches aus mehreren Phasen besteht.
Funktionsweise
Das Potenzial des Kraftwerkkonzepts liegt in der Verschaltung der Hochtemperaturbrennstoffzelle mit der Gasturbine (Bild 3). Mittels des Gasturbinenkompressors wird die Prozessluft für die Brennstoffzelle verdichtet. Mit der verdichteten Luft wird zunächst der Druckkessel der SOFC gespült. Hiermit wird ein Druckausgleich zwischen dem Inneren der SOFC und der Umgebung hergestellt. Des Weiteren wird die Entstehung explosionsfähiger Gemische durch etwaige Brennstoffleckagen verhindert. Anschließend wird die komprimierte Luft im Rekuperator der Gasturbine auf bis zu 720°C aufgeheizt, bevor sie in die Kathode der SOFC geleitet wird. Die Druckaufladung dient der Erhöhung der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle bei gleichem Brennstoffeinsatz. Die Betriebstemperatur der mit Überdruck betriebenen Brennstoffzelle liegt je nach Betriebspunkt zwischen 680 und 850°C. Der Brennstoffzelle wird anodenseitig entschwefeltes und reformiertes Erdgas zugeführt. Das Anodenabgas wird teilweise rezirkuliert um den Reformationsprozess aufrecht zu erhalten, den Brennstoff vorzuheizen und die Brennstoffausnutzung zu erhöhen. Die Brennstoffzelle wird mit einem Brennstoffüberschuss betrieben. Neben dem elektrischen Strom fallen am Austritt der SOFC bis zu 850°C heiße, wasserstoffhaltige Abgase an. Diese werden anschließend in einer speziell konzipierten Brennkammer umgesetzt, die sowohl mit dem Abgas der Brennstoffzelle als auch mit Erdgas betrieben werden kann. Durch die erhöhte Eintrittstemperatur und den Wasserstoffgehalt des Anodenabgases in die Brennkammer der Gasturbine muss im Vergleich zum klassischen Gasturbinenkreislauf bedeutend weniger, im optimalen Betriebspunkt kein Brennstoff zugeführt werden, um die geforderte Turbineneintrittstemperatur zu erreichen. Durch die Entspannung der Abgase in der nachgeschalteten Turbine auf Umgebungsdruck wird ein Generator angetrieben, welcher zusätzlich zur Hochtemperaturbrennstoffzelle elektrischen Strom erzeugt. Das heiße Abgas wird anschließend genutzt, um im Rekuperator die Eintrittsluft in die SOFC vorzuheizen.
Stand der Forschungsarbeiten
In einer ersten Phase wurden die Betriebscharakteristiken der Subsysteme SOFC und MGT getrennt voneinander analysiert und eine Laboranlage zur Untersuchung von SOFC/MGT Hybrid-Kraftwerksystemen auf Basis der Mikrogasturbine Turbec T100 installiert und in Betrieb genommen. Weiterhin wurden numerische Modelle für die Anlagenkomponenten und das Gesamtsystem erstellt, Regelungs- und Betriebskonzepte entwickelt sowie Kreislaufanalysen durchgeführt.
In der zweiten Phase wurde das dynamische Systemverhalten von SOFC/MGT Hybrid-Kraftwerkskonzepten an einer virtuell gekoppelten Versuchsanlage untersucht. Die Versuchsanlage besteht aus der Mikrogasturbine Turbec T100, einem Rohrleitungssystem und einem SOFC-Simulator (s. Bild 4). Durch die Untersuchungen des instationären Systemverhaltens an dieser Versuchsanlage wurden die aus Phase 1 gewonnenen Betriebskonzepte weiter verfeinert sowie Regelungsstrategien entwickelt. Weitere Schwerpunkte bildeten die Charakterisierung des druckaufgeladenen Betriebs von Hochtemperaturbrennstoffzellen an einem hierzu aufgebauten SOFC-Druckteststand, die Erweiterung, Optimierung und Validierung der numerischen Modelle sowie die Komponentenentwicklung.
Aktuelle Forschungsaufgaben am Institut für Verbrennungstechnik
Die gewonnenen Erkenntnisse werden in der dritten, derzeit laufenden Phase auf eine kleinere Anlage übertragen. Diese Anlage basiert auf einer Mikrogasturbine EnerTwin der Firma MTT mit einer elektrischen Leistung von 3 kW, die mit einer Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einer elektrischen Leistung von ca. 30 kW gekoppelt werden soll. Der Vorteil dieser Leistungsgröße liegt einerseits in der räumlichen und finanziellen Umsetzbarkeit eines gekoppelten Systems, v.a. im Hinblick auf die Beschaffung einer geeigneten SOFC-Brennstoffzelle. Andererseits ermöglicht eine Anlage dieser Größenordnung eine Anwendung in größeren Wohneinheiten, kleinen mittelständischen Unternehmen sowie Unternehmen aus dem Bereich GHD (Gewerbe/Handel/Dienstleistungen).
Die Mikrogasturbine EnerTwin wurde experimentell charakterisiert und der Einfluss eines erhöhten Druckverlusts zwischen Verdichter und Turbine analysiert. Für das Hybridkraftwerk wurde ein SOFC-Abgas Brenner entwickelt, gefertigt und wird derzeit getestet.
Der Aufbau einer Demonstrationsanlage ist derzeit in der Umsetzung. Der Aufbau erfolgt - wie in der ersten Demonstrationsanlage auf Basis der Turbec T100 - schrittweise: Zunächst werden beide Teilsysteme MGT und SOFC getrennt aufgebaut. In der Versuchsanlage der MGT werden die Eigenschaften der SOFC (Druckverlust, Aufenthaltszeit und Temperaturerhöhung) vor der realen Kopplung simuliert. In der Versuchsanlage der SOFC wird zunächst der Einfluss der MGT am Institut für Technische Thermodynamik untersucht. An diesen beiden Versuchsanlagen werden jeweils die Charakteristika der Anlagen sowie Steuerungs- und Regelungskonzepte getestet und optimiert, bevor die beiden Anlagen real gekoppelt werden.
Zusätzlich wird in dem EU-Projekt „Bio-Hypp“ in Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern aus Industrie und Wissenschaft ein real gekoppeltes Hybridkraftwerk aus MGT und SOFC für die Nutzung von Biogas entwickelt und aufgebaut. Im Rahmen dieses Projekts werden verschiedene Bauteile der Anlage (Turbokomponenten, Rekuperator, etc.) für das Hybridkraftwerk optimiert (-> Bio-HyPP EU).
Partner: Institut für Technische Thermodynamik Micro Turbine Technology BV (MTT) Sunfire GmbH University of Genoa (UNIGE) Hiflux Limited Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) D’Appolonia S.p.A. Gasterra BV
Finanzierung durch: EnBW Energie Baden-Württemberg AG Förderkennzeichen: 03ET6032 Projekt Bio-HyPP im EU-Programm Horizon 2020 (Grant Agreement Nummer 641073)