Simulation of Load Profiles for the Application of a SOFC CHP System as controllable Power Plant of the Future

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Strom und Wärme sind die beiden wichtigsten Energieformen in der heutigen Welt. Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien (KWK) kombinieren die Erzeugung von Strom und Wärme und können grob in Verbrennungskraftmaschinen, Verbrennungsturbinen und Brennstoffzellen unterteilt werden. Im Vergleich zu konventionellen Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien erzielen Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) höhere elektrische Wirkungsgrade bei deutlich geringeren Emissionswerten. Obwohl Festoxidbrennstoffzellen in den letzten Jahren neue Geschäftsfelder erschließen konnten, ist die Anzahl kommerzieller Marktsegmente noch sehr gering. Aus diesem Grund ist es wichtig die Eignung der SOFC-Technologie für verschiedene Anwendungen zu testen, um in weiter Folge neue Geschäftsmöglichkeiten und Marktzugänge zu schaffen. Der erste Teil dieser Arbeit besteht aus einer Literaturrecherche in Form eines technischen und wirtschaftlichen Vergleichs von Festoxidbrennstoffzellen mit kommerziell erhältlichen Gasturbinen und Gasmotoren im Leistungsbereich bis 10 Megawatt. Dabei wird eine breite Palette von Vergleichsparametern wie Effizienz, Emissionen, Hochlaufgeschwindigkeiten, Kosten und Wartungsaufwand behandelt. Im darauf folgenden Teil der Arbeit wird ein Modell erstellt welches das Verhalten von Festoxidbrennstoffzellen simuliert um die Eignung der Technologie für unterschiedliche Anwendungen zu analysieren. Die Ergebnisse der Simulation und des technischen und wirtschaftlichen Vergleichs werden zusammengefasst um die Anforderungen an SOFC KWK Systeme als regelbare Kraftwerke der Zukunft zu ermitteln. Im Vergleich zu den konventionellen Technologien bieten Festoxidbrennstoffzellen große Vorteile im Bezug auf elektrische Effizienz, Emissionen und Wartungsaufwand. Zusätzliche Entwicklung ist insbesondere auf Basis des Brennstoffzellen-Stacks notwendig, um Degradationsraten, Investitionskosten und Skalierbarkeit des Systems zu verbessern. Die Ergebnisse der Simulation zeigen die Eignung der SOFC-Technologie für eine Vielzahl von Anwendungen wie das Bereitstellen von Grundlast, Spitzenlast und Regelenergie im Netzbetrieb sowie Inselanwendungen. Während Festoxidbrennstoffzellen in den meisten übrigen Vergleichsparametern mit Gasturbinen und Gasmotoren problemlos konkurrieren können, sind die Anlaufzeit und die Hochlaufraten sehr stark von der spezifischen Anwendung abhängig. Dennoch erfordert jede spezifische Anwendung eine spezielle Systemkonfiguration mit zugehörigem Betriebsmodus um die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen zu erfüllen. Des Weiteren sind Kompromisse bezüglich des elektrischen und thermischen Deckungsgrades, der überschüssig erzeugten Energie und der Volllaststunden meist unverzichtbar. Der limitierende Faktor der SOFC ist hauptsächlich die stark variierende Stack-Temperatur, welche Einfluss auf die Anlaufzeit, die Hochlaufgeschwindigkeiten und die Zuverlässigkeit der Energieerzeugung hat.

Details

Titel in ÜbersetzungSimulation von Lastprofilen für den Einsatz eines SOFC CHP Systems als regelbares Kraftwerk der Zukunft
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung29 Juni 2018
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2018