SOFC4City - SOFC-Abwärmenutzung für Gebäude und Industrie

Ausgangssituation/Motivation

Die hohen Betriebstemperaturen der SOFC-Brennstoffzellen erlauben grundsätzlich ein breites Brennstoffband (Erdgas, Biogas, Wasserstoff, Methanol,...), sodass auch fossile Energieträger durch erneuerbare Energieträger substituiert werden können (Second Generation Biofuels z.B.: SNG, BtL). Die Lebensdauer der SOFC-Brennstoffzellen wird jedoch wesentlich von der Aufheizrate und den An- bzw. Abfahrzyklen beeinflusst. Hohe Aufheizraten verursachen in den Stacks große Wärmespannungen, die wiederum zu hohen Degradationsraten führen können. Aus diesem Grund reagieren SOFC-Systeme träge und können rasche Bedarfsanforderungen nur eingeschränkt bedienen. Eine effiziente, dezentrale Integration von SOFC-Systemen setzt daher eine ganzheitlich optimierte Systemkonfiguration – die gleichzeitig die thermischen und elektrischen Lastanforderungen möglichst gut abdecken kann – voraus.

Inhalte und Zielsetzungen

In der gegenständlichen Sondierungsstudie werden zunächst die verbraucherseitigen Anforderungen für den Wohnbau und für ausgewählte Industrien identifiziert. Neben der Entwicklung von zeitlich hochaufgelösten thermischen und elektrischen Lastprofilen einzelner Wohneinheiten werden verschiedene Möglichkeiten zur Reduktion großer Lastgradienten aufgezeigt. U.a. werden dazu der Einfluss von Kurzzeitspeichern auf die Häufigkeitsverteilung des Strom-Wärmeverhältnisses untersucht und die Wirkung der elektrischen Vernetzung von mehreren Wohngebäuden auf die zeitliche Entwicklung der Lastprofile diskutiert. Unter Ausnutzung des dabei festgestellten Flexibilisierungspotenzials werden mögliche SOFC-Systemkonfigurationen in Bezug auf das erzielbare Strom-Wärmeverhältnis und das Abwärmenutzungspotenzial für Wohngebäude und ausgewählte Industrieanwendungen analysiert. Abschließend erfolgt eine fundierte Abschätzung der rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für den Einsatz von SOFC-Systemen unter Berücksichtigung der identifizierten Abwärmenutzungspotenziale.

Methodische Vorgehensweise

Die Entwicklung der thermischen und elektrischen Lastprofile für den mehrgeschoßigen Wohnbau auf Quartiersebene erfolgte mit Hilfe der Simulationstools synPRO. Zur Datenanalyse wurde ein eigenes Postprozessingtool mit der Programmierumgebung Matlab® entwickelt. Für die SOFC-Systemsimulation wurde ein numerisch effizientes Stack- und Reformermodell programmiert. Dazu wurden zunächst CFD-Parameterstudien zur Beurteilung der Temperaturverteilung im Stack durchgeführt. Aufgrund der langen CFD-Rechenzeiten wurde zudem ein bestehendes eindimensionales Stack-Modell weiterentwickelt und mit den Ergebnissen der CFD-Simulationen sowie mit eigenen Messungen validiert. Darauf aufbauend wurde die Auswirkung der Reaktionskinetik und der elektrochemischen Verluste auf die Temperaturverteilung im Stack und somit die effektive nutzbare Spannung untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden zur Ableitung eines numerisch sehr effizienten White-Box-Modells und regelungstechnischer Strategien genutzt. Basierend auf diesem White-Box-Modell wurden unterschiedliche SOFC-Systemkonzepte charakterisiert und dessen Durchführbarkeit zur Wärmeauskopplung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus analysiert. Abschließend erfolgte die Ermittlung der rechtlichen und marktwirtschaftlichen Rahmenbedingungen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse verdeutlichen, dass SOFC-Systeme in Kombination mit Kurzzeitspeichern aufgrund ihrer flexiblen Konfigurationsmöglichkeiten an die individuellen Strom- und Wärmebedürfnisse sehr gut angepasst werden können. Die Nutzung des elektrischen Netzes auf Distriktebene ermöglicht zudem Lastausgleichspotenziale zu realisieren und gleichzeitig dezentrale Abwärmenutzungspotenziale zu verwirklichen. Dadurch können die thermischen Verteilverluste minimiert und eine effiziente und resiliente Energieversorgung erzielt werden.

Ausblick

Im Zuge eines konkreten Folgeprojektes fließen die erzielten Ergebnisse in die Entwicklung und Realisierung eines SOFC-Systems ein. Darüber hinaus werden die entwickelten Simulationsmodelle in der Lehre des Masterstudienganges Gebäudetechnik und Gebäudemanagement eingesetzt. Dadurch wird das Grundverständnis für eine ganzheitlich optimierte SOFC-Systemlösung auf Branchenebene verbessert und gleichzeitig das Umsetzungspotenzial erhöht.

DI Erich Terkovics
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