CELL4LIFE - Reversible SOCs als Bindeglied zwischen Strom- Wärme- & Gasnetz zur Autarkie- und Resilienzsteigerung von Quartieren

Ausgangssituation/Motivation

Der Einsatz von reversibel betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzellen-KWK-Modulen (reversible Solid Oxide Cell (rSOC) Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)) ermöglicht im Brennstoffzellenmodus die

• hocheffiziente Produktion von Strom und Wärme direkt am Ort des Verbrauchs und
• bietet zusätzlich die Möglichkeit, Energie in Form von grünem Wasserstoff lokal herzustellen und zu speichern, falls das System im Elektrolysemodus betrieben wird.

Der Betrieb des rSOC-KWK-Moduls im Brennstoffzellenmodus ermöglicht die direkte Umsetzung der chemischen Energie eines gasförmigen Brennstoffs (z.B. Erdgas) und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie. Als Nebenprodukte entstehen hierbei Wärme, Wasser und nur sehr geringe Emissionen. Die entstehende Wärme kann zur Warmwasseraufbereitung oder für die Raumwärme genutzt werden, wobei überschüssig produzierte Wärme in das Fernwärmenetz eingespeist wird.

Im Elektrolysemodus wird Wasserdampf mit Hilfe des aus erneuerbaren Energiequellen erzeugten, elektrischen Stroms in grünen Wasserstoff umgewandelt und zur späteren Verwendung gespeichert. Dieser Betrieb wird vor allem durch die aus der fluktuierenden Erzeugung von Wind- und Photovoltaikanlagen entstehenden Niedertarifzeiten begünstigt.

Der gespeicherte grüne Wasserstoff kann im Brennstoffzellenmodus als gänzlich emissionsfreie Alternative zu Erdgas eingesetzt werden. Dabei soll im Projekt auch die Zumischung von Wasserstoff zu Erdgas (Einspeisung in das Erdgasnetz) bzw. die partielle Substitution von fossilen Brennstoffen mit Wasserstoff und deren Einfluss auf das Verhalten der gesamten Infrastruktur untersucht werden.

Durch die einfache Skalierbarkeit der rSOC-KWK-Technologie könnte nicht nur die nachhaltige Versorgung von Einfamilien- und Mehrparteienhäusern, sondern auch von größeren Bürokomplexen bis hin zu ganzen Stadtvierteln realisiert werden. Im vorliegenden Projekt soll diese Technologie vor allem in Kontext der Autarkie- und Resilienzsteigerung von Plus-Energie-Quartieren untersucht werden.

Inhalte und Zielsetzungen

Um die Kommerzialisierung von Festoxidbrennstoffzellen zu beschleunigen, müssen sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Haltbarkeit dieser erhöht werden. Eine zeiteffiziente und genaue Vorhersage der Systemleistung als Funktion der Betriebsumgebung könnte die Zeit reduzieren, die erforderlich ist, um das Betriebsoptimum innerhalb eines weiten Bereichs von Parametern zu finden. Um die Leistung der rSOC-KWK-Technologie vorherzusagen, wird zu diesem Zweck in CELL4LIFE ein Prognoseverfahren basierend auf einem neuronalen Netzwerk entwickelt.

Drei Hauptziele können definiert werden:

1. Bestmögliche Verwendung der vorhandenen Infrastruktur auf der Versorgungsseite (Fernwärme-, Gas- und Stromnetz) und auf der Verbraucherseite (Ein- und Mehrfamilienhäuser, Plus-Energie-Quartiere).
2. Optimierte Fahrweise der rSOC-KWK-Technologie zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Module unter Berücksichtigung der Autarkie- und Resilienzsteigerung von Plus-Energie-Quartieren.
3. Demonstration des Systems in Form eines labortechnischen Prototyps.

Methodische Vorgehensweise

Das Projekt verfolgt eine auf Machine Learning (ML) basierende Regelstrategie des Systems. Zunächst wird das multiphysikalische Modell (Wärmeübertragung, Stofftransport, chemische Reaktion, Impulstransport, elektrochemische Reaktion) entsprechend den experimentellen Parametern entwickelt und anhand der experimentellen Ergebnisse validiert. Anschließend werden parametrische Studien durchgeführt, um die Auswirkungen verschiedener Parameter auf die SOFC/SOEC zu untersuchen.

Inzwischen wird ein Datensatz der Inputs und Outputs aus multiphysikalischen Modellen generiert. Mit diesem Datensatz wird das Neuronale Netz (NN) trainiert, um die Zusammenhänge zwischen den Betriebsbedingungen und den Leistungsparametern abzubilden. Mit dem NN-Modell werden neue Ausgaben generiert und die Ergebnisse mit denen des multiphysikalischen Modells verglichen, um die Genauigkeit zu validieren.

Schließlich wird das trainierte NN-Modell zur Optimierung der SOFC/SOEC (solid oxide electrolyzer cell/solid oxide fuel cell) durch eine Kombination mit einem genetischen Algorithmus verwendet. Der genetische Algorithmus sucht eine Lösung in Form von Binärziffern, die durch Selektion, Kreuzung und Mutation Nachkommen erzeugen.

Diese Kandidaten werden unter Verwendung einer Fitnessfunktion bewertet, wobei die Iteration fortgesetzt wird, bis das Konvergenzkriterium erfüllt ist. Als heuristisches Verfahren eignet sich der genetische Algorithmus für Optimierungsprobleme, sofern eine geeignete Datenbasis verwendet wird.

Erwartete Ergebnisse

Das übergeordnete Ziel von CELL4LIFE ist es, wirtschaftliche Betriebs- und Geschäftsmodelle für den Einsatz der rSOC-Technologie in Plus-Energie-Quartieren zu entwickeln und entsprechend zu konzeptionieren, so dass die Ansprüche an ein Plus-Energie-Quartier erfüllt werden können.

Dabei sollen folgende Ergebnisse erreicht werden:

• Die Anforderungen an die rSOC-Technologie für den Einsatz in Plus-Energie-Quartieren sind bekannt. Das beinhaltet vor allem Fragestellungen zur dynamischen Betriebsweise des rSOC-Systems in Kombination mit den vorhandenen Speichern und Erneuerbaren im Plus-Energie-Quartier und im Kontext von den übergeordneten Versorgungsystemen.
• Die optimale Betriebsweise der rSOC-Technologie (geringe Degradation, hohe Effizienz) unter den Rahmenbedingungen von Plus-Energie-Quartieren ist bekannt.
• Die Regelstrategie soll mittels künstlicher Intelligenz Degradationsmechanismen vorzeitig erkennen und Betriebsparameter des Gesamtsystems dementsprechend anpassen. Diese Regenerationstechnik soll bereits aufgetretene Veränderungen rückgängig machen und damit die Lebensdauer der Zellen erhöhen bzw. zumindest die Degradation verlangsamen oder verhindern.
• Die vorhandene Infrastruktur auf der Versorgungs- (Fernwärmenetz, Gasnetz) und auf der Verbraucherseite soll bestmöglich genutzt werden, so dass die Integration der rSOC-Technologie in das Plus-Energie-Quartier möglichst einfach erfolgen kann.
• Die Substitution von Erdgas mit Wasserstoff bei der dezentralen Einspeisung ist technisch, rechtlich und wirtschaftlich möglich.
• Demonstration des Systems in Form eines labortechnischen Prototyps.

Mit den Ergebnissen dieses Projekts soll der labortechnische Aufwand bei der Untersuchung von verschiedenen Anwendungsszenarien von rSOCs minimiert werden.

Projektleitung

4ward Energy Research GmbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• Institut für Wärmetechnik, Technische Universität Graz
• Kristl, Seibt & Co. Gesellschaft m.b.H.

4ward Energy Research GmbH
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