Das Solar-Wasserstoff-Projekt in Neunburg vorm Wald

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Das Solar-Wasserstoff-Projekt in Neunburg vorm Wald Powered By Docstoc
					Das Solar-Wasserstoff-Projekt in
Neunburg vorm Wald


Schriftenreihe Solarer Wasserstoff
Brennstoffzelle Nr. 14

Erschienen in VDI Berichte, Nr. 1201, 1995



Ergebnisse der 79 kW dc PAFC-Anlage im SWB-Projekt


K. Hoelzner



Zusammenfassung

Die phosphorsaure                         Durch eine Optimierung des
Brennstoffzellenanlage (PAFC-Anlage)      elektrischen Eigenbedarfs könnten die
ist seit Februar 1993 im                  elektrischen Wirkungsgrade dieser
Versuchsbetrieb. Die Anlage kann          PAFC-Anlage verbessert werden.
wahlweise mit elektrolytisch erzeugtem
und gespeichertem Wasserstoff oder        Im Teillastbereich, bei niedrigen
mit Erdgas H aus dem öffentlichen Netz    elektrischen Leistungen, wird der hohe
betrieben werden. Die Kathodenluft        Brennstoffzellen-Wirkungsgrad durch
kann mit O2 angereichert werden.          den elektrischen Eigenbedarf
                                          vermindert, so daß der elektrische
Durch die Vielzahl der An- und            Wirkungsgrad sinkt.
Abfahrvorgänge dieser Anlage ist eine
starke Degradation der Brennstoffzelle    Für den Einsatz der PAFC -Anlage als
zu verzeichnen. 79 kWdc elektrische       Blockheizkraftwerk wurde eine
Gleichstromleistung wurden beim           Simulation mit einer typischen
Garantielauf der Anlage im Februar        Tagesganglinie am Beispiel eines
1993 maximal erreicht, bei O2 -           Krankenhauses durchgeführt. Durch
Anreicherung der Kathodenluft. Im Mai     das gute Lastfolgeverhalten konnten 98
1995, nach 140 Abschaltungen wurden       % der angeforderten elektrischen
noch 73 kW dc in dieser Betriebsart       Leistung abgedeckt werden.
erreicht.
                                          Bei Betrieb mit Wasserstoff entstehen
Der elektrische Wirkungsgrad bei          keine NOx- und CO-Emissionen. Die
Erdgas-Betrieb und Luft als Oxidant ist   bisherigen Ergebnisse dieser
mit 27 %, bei einer nutzbaren             Versuchsanlage weisen deutlich darauf
Wechselstromleistung von 51 kW,           hin, daß für einen energetisch
vergleichbar mit konventionellen          effizienten Betrieb PAFC -Anlagen mit
erdgasbetriebenen Motoren-                möglichst hoher elektrischer Leistung
Blockheizkraftwerken gleicher Leistung.   und im Dauerbetrieb eingesetzt werden
Mit gespeichertem Wasserstoff und Luft    sollten.
als Oxidant wird ein elektrischer
Wirkungsgrad von 35 % erreicht, bei
einer nutzbaren Wechselstromleistung
von 55 kW.



Einleitung

Die Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH (SWB) errichtete, betreibt und erweitert derzeit die
Solar-Wasserstoff-Demonstrationsanlage in Neunburg vorm Wald . Mit der Anlage sollen die
Komponenten einer Solar-Wasserstoff-Wirtschaft in ihrem Zusammenwirken erprobt werden
[1].

Eine PAFC -Anlage erzeugt ohne Umweg über thermische Prozesse direkt elektrischen
Strom. Gleichzeitig kann Wärme ausgekoppelt werden, so daß solche Anlagen als
Blockheizkraftwerk eingesetzt werden können.

Die PAFC -Anlage im SWB-Projekt wird entweder mit in Neunburg vorm Wald elektrolytisch
erzeugtem und gespeichertem Wasserstoff, oder mit Erdgas H aus dem öffentlichen Netz
betrieben. Bei Erdgas-Betrieb wird eine vorgeschaltete Kette bestehend aus Erdgas/Dampf-
Reformer, CO-Konverter und Prozeßgas -Reinigungsanlage eingesetzt, die Erdgas in
Wasserstoff umwandelt. Mit diesem Aufbau wird bei der SWB der technische Aspekt erster
Schritte eines Übergangs von der fossil ausgerichteten Energieversorgung auf eine
Wasserstoffversorgung demonstriert und untersucht.

Bei der beschriebenen Anlage handelt es sich um eine Versuchs- und Demonstrationsanlage,
die nicht ununterbrochen betrieben wird. Stillstandszeiten von einer Woche oder auch
mehreren Wochen sind möglich. Bei Betrieb der PAFC -Anlage sind tägliche An- und
Abfahrprozeduren an 5 Tagen pro Woche typisch für den Einsatz bei der SWB.

Die Arbeit der SWB wird vom Bundesministerium f ür Bildung, Wissenschaft, Forschung und
Technologie und dem Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie
gefördert.



Anlagenaufbau
Abb.1 zeigt den schematischen Aufbau der von Kinetics Technology International B.V.
gelieferten PAFC-Anlage.

Bei Betrieb mit gespeichertem Wasserstoff werden nur die in Abb.1 hellgrau dargestellten
Bereiche benötigt. Die Gase Wasserstoff und Luft werden vor der Brennstoffzelle in der
unteren Dampftrommel vorgewärmt. Die untere Dampftrommel ist der zentrale
Wärmetauscher, an den auch der Kühlwasserkreislauf der Brennstoffzelle angeschlossen ist.
Mit diesem Kreislauf wird die Brennstoffzelle beim Anfahren vorgewärmt, und wenn die
Brennstoffzelle in Betrieb ist, wird dar über die erzeugte Wärme an die Dampftrommel
abgegeben. Die für Heizzwecke nutzbare Wärme wird aus der unteren Dampftrommel
ausgekoppelt. Die erzeugte elektrische Gleichstromleistung der Brennstoffzelle wird über
einen Wechselrichter ins Drehstromnetz gespeist.
                              Abb. 1 Blockschema PAFC-Anlage

Die Zuluft der Brennstoffzelle kann mit Sauerstoff angereichert werden, der im SWB-Projekt
zusätzlich zum Wasserstoff gespeichert wird. Der O2-Gehalt der Zuluft kann auf maximal 50
Vol.-% erhöht werden. Dadurch steigt die Gleichstromleistung um etwa 7 %. Wird die PAFC -
Anlage mit Erdgas H aus dem öffentlichen Netz (96,9 - 98,7 Vol.-% CH 4, unterer Heizwert =
9,9 - 10,1 kWh/Nm ) betrieben, werden alle in Abb.1 dargestellten Aggregate benötigt. In
einem Reformer mit nachgeschaltetem CO-Konverter wird aus Erdgas H und Wasserdampf
ein wasserstoffreiches Prozeßgas erzeugt. Die Brennstoffzelle k önnte direkt mit diesem
Prozeßgas betrieben werden. Im SWB-Projekt ist noch eine Druckwechsel-Adsorptionsanlage
(DWA) zwischengeschaltet , die den Wasserstoffanteil im Prozeßgas von etwa 80 auf
mindestens 99,9 Vol.-% erhöht. Diese Reinheit entspricht derjenigen , die bei der
elektrolytischen Wasserstoffproduktion und Speicherung im SWB-Projekt erreicht wird, so
daß die Brennstoffzelle auch bei Erdgas-Betrieb mit Wasserstoff versorgt wird, der in der
Qualität elektrolytisch erzeugtem gleicht.

Wahlweise kann der aus Erdgas H hergestellte Wasserstoff auch im Gaselager gespeichert
werden und gewährleistet damit eine von den Elektrolyseuren unabhängige
Wasserstoffversorgung aller Wasserstoffanwendungen [1] für die Durchf ührung der
Versuchsprogramme. Eine detailliertere Beschreibung der PAFC-Anlage kann in [2]
nachgelesen werden.



Betriebserfahrungen
Die Brennstoffzellenanlage wurde im Februar 1993 nach erfolgreichem Probebetrieb und
Garantielauf von der SWB übernommen. Einschränkungen des Versuchsbetriebs durch den
elektrochemischen Wandler, die Brennstoffzelle selbst, ergaben sich bisher nicht. Die
zwischenzeitliche Fehlfunktion diverser Meßger äte in der Peripherie führte jedoch zu häufigen
automatischen Notabschaltungen. Durch die Rekalibrierung der Meßgeräte wurden bisher die
meisten Fehlfunktionen behoben. Im April 1995 mußte der Reformerkatalysator nach 3
Jahren gewechselt werden. Die Katalysatorschüttung hatte sich im Laufe der Zeit so weit
gesetzt, daß der dadurch veränderte Wärmehaushalt des Reformers keinen
Nennleistungsbetrieb mehr zuließ.

Wie bereits in der Einleitung erw ähnt , wird die Brennstoffzellenanlage nicht ununterbrochen
betrieben. Mit den täglichen An- und Abfahrprozeduren und auch längeren
Betriebsunterbrechungen werden Erfahrungen gesammelt, in wieweit sich diese Anlage f ür
den Einsatz als Strom- und Wärmelieferant in einer Solar-Wasserstoff-Wirtschaft eignet .
Bisher führt die Vielzahl der An- und Abfahrvorgänge zu einer beschleunigten Degradation
der Brennstoffzelle.



Degradation
Die elektrochemische Reaktion in der phosphorsauren Brennstoffzelle findet nur dort statt, wo
die Reaktionsteilnehmer, Elektrode, Elektrolyt und Gas in Kontakt kommen . Dieser Ort wird
als Drei-Phasen-Gebiet bezeichnet.

Nach heutigem Kenntnisstand wird die Degradation der Brennstoffzelle durch irreversible
Schädigungen dieses Drei-Phasen-Gebiets hervorgerufen. Es handelt sich dabei um eine
Verschiebung der flüssigen Elektrolytphase innerhalb der porösen Gasdiffusionselektroden .
Dadurch wird das Drei-Phasen-Gebiet kleiner, und es kann letztlich weniger elektrische
Energie erzeugt werden. Die Verschiebung der Elektrolytphase wird durch Störungen des
Druckgleichgewichts zwischen Anoden und Kathoden verursacht. Solche St örungen treten
bei Abschaltungen der Brennstoffzelle auf, wenn die Gase Wasserstoff und Luft durch
Stickstoff ersetzt werden. Abb.2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Anzahl der
Abschaltungen und der Leistungsabnahme.




                                     Abb.2 Degradation

In bisher kumulierten 1660 Betriebsstunden der Brennstoffzelle wurden 300 Abschaltungen
gezählt. Bei der Werksabnahme in Japan, im November 1990, wurden mit Luft als Oxidant bei
610 A dc Nennstrom 81 kW Gleichstromleistung erreicht. Nach über 2 Jahren Inbetriebsetzung
mit etwa 500 Betriebsstunden und 160 Abschaltungen der Brennstoffzelle wurden im Februar
1993 noch 73 kW abgegeben (79 kW bei maximaler O 2-Anreicherung der Kathodenluft).

Im anschließenden Versuchsprogramm bis Mai 1995 sank die Gleichstromleistung auf 68 kW
in 1160 Betriebsstunden mit 140 Abschaltungen (73 kW bei maximaler O 2-Anreicherung der
Kathodenluft). Um die Degradation einer Brennstoffzelle zu reduzieren, sollten Abschaltungen
soweit möglich vermieden werden. Für den zweckmäßigen, intermittierenden Betrieb in einer
Solar-Wasserstoff-Wirtschaft sollte das Degradationsverhalten phosphorsaurer
Brennstoffzellen noch deutlich verbessert werden.
Wirkungsgrade
Durch die anhaltende Degradation der Brennstoffzelle sind die ermittelten Wirkungsgrade
einer stetigen Änderung unterworfen. Die elektrischen Wirkungsgrade nehmen ab, die
thermischen zu. Tab.1 zeigt beispielhaft Meßwerte von Dezember 1993 im Vergleich zu Mai
1995. Zwischen diesen beiden Zeitpunkten liegen 900 Betriebsstunden und 100
Abschaltungen der Brennstoffzelle .




                  Tab.1 Wirkungsgrade bei Nennstrom und Umgebungsluft
                        als Oxidant Werte in Klammern ohne DWA

1)    Gleichstromleistung / (H 2 -Volumenstrom x unterer Heizwert
2)    Wechselstromleistung (netto) / (Einsatzgas-Volumenstrom x unterer Heizwert
3)    therm. Leistung / (Einsatzgas-Volumenstrom x unterer Heizwert



Der Brennstoffzellen-Wirkungsgrad, berechnet aus der Gleichstromleistung und dem
eingesetzten Wasserstoff, betrug im Dezember 1993 noch 46 %, im Mai 1995 44 %. Der
elektrische Wirkungsgrad berücksichtigt im Vergleich zum Brennstoffzellen-Wirkungsgrad
noch die Wandlungsverluste des Wechselrichters sowie den elektrischen Eigenbedarf der
PAFC-Anlage. Der elektrische Eigenbedarf dieser Versuchsanlage, insbesondere bei Erdgas-
Betrieb, ist sehr hoch, so daß der elektrische Wirkungsgrad bei Erdgas-Betrieb nur noch 19 %
beträgt, bei einer nutzbaren Wechselstromleistung von lediglich 35 kW. Bei Erdgas-Betrieb
wird die Hälfte des elektrischen Eigenbedarfs von dem Prozeßgasverdichter vor der DWA
benötigt. Da bei Erdgas-Betrieb theoretisch auf eine DWA verzichtet werden kann, wurde der
elektrische Wirkungsgrad auch für diesen Fall berechnet. Es werden jetzt 27 % bei einer
nutzbaren Wechselstromleistung von 51 kW erreicht . Dieser Wert ist vergleichbar mit
konventionellen erdgasbetriebenen Motoren-Blockheizkraftwerken gleicher elektrischer
Leistung [3]. Größere erdgasbetriebene PAFC-Anlagen der 200 kW -Klasse erreichen einen
elektrischen Wirkungsgrad von 40 % [4] und haben damit bereits heute höhere elektrische
Wirkungsgrade als vergleichbare Motoren-Blockheizkraftwerke.

Bei Betrieb mit gespeichertem Wasserstoff ist der elektrische Wirkungsgrad größer, weil der
elektrische Eigenbedarf viel kleiner ist als bei Erdgas-Betrieb . Es werden 35 % bei einer
nutzbaren Wechselstromleistung von 55 kW erreicht .
Abb.3 zeigt die Wirkungsgrade im gesamten Leistungsbereich der Anlage.




             Abb.3 Wirkungsgrade (jeweils bezogen auf den unteren Heizwert)

Der Brennstoffzellen-Wirkungsgrad steigt im unteren Teillastbereich auf über 50 % an. Da der
elektrische Eigenbedarf bei Teillast konstant bleibt, sinkt der elektrische Wirkungsgrad im
Teillastbereich. Der Anstieg des Brennstoffzellen-Wirkungsgrades reicht nicht aus, um diesen
Effekt zu kompensieren. Dieses Ergebnis zeigt auf, daß der elektrische Eigenbedarf optimiert
werden mu ß, um die Ausbeute an elektrischer Leistung zu erhöhen.

Die thermischen Wirkungsgrade sind mit maximal 29 % bei Wasserstoff-Betrieb und 11 % bei
Erdgas-Betrieb mit DWA kleiner als bei vergleichbaren konventionellen Motoren-
Blockheizkraftwerken.

Abb.4 und 5 zeigen die Energieflußdiagramme bei Wasserstoff- und Erdgas -Betrieb.
         Abb.4 Energieflußdiagramm bei H2-Betrieb und Umgebungsluft als Oxidant

Auch auf der thermischen Seite sind noch Optimierungen denkbar , die zu einer Erhöhung der
thermischen Wirkungsgrade führen:

   l   Vorwärmung von Luft und Wasserstoff vor der Brennstoffzelle mit der Abwärme des
       Kathodenabgases
   l   Rückführung des Anodenabgases auf die Anodeneingangsseite bei H2 -Betrieb
   l   Unterstützung der Dampferzeugung in der Dampftrommel mit der Abwärme des
       Reformerbrenner-Abgases bei Erdgas -Betrieb.
      Abb.5 Energieflußdiagramm bei Erdgas-Betrieb und Umgebungsluft als Oxidant




Lastfolgeverhalten
Für Lastwechsel in beliebiger Richtung zwischen 25 und 100 % der Brennstoffzellen-
Nennleistung wird in jeder Betriebsart eine Minute benötigt, um den neuen Sollwert erstmalig
mit einer Abweichung von 1 % zu erreichen (Anschwingzeit). 10 Minuten nach einem
Lastwechsel ist wieder ein stabiler Betriebsverlauf mit Schwankungen der
Wechselstromleistung unter +/- 1 % gegeben. Diese Werte sind für die Größen Gleichstrom,
Gleichstromleistung und Wechselstromleistung der Brennstoffzellenanlage gültig (siehe
Abb.6).
                                   Abb.6 Lastfolgeverhalten

Für den Einsatz der Brennstoffzellenanlage als Blockheizkraftwerk wurde eine Simulation mit
typischer Tagesganglinie der elektrischen Leistung am Beispiel eines Krankenhauses
durchgeführt. Die Tagesganglinie stand in einer zeitlichen Auflösung von 1-Minuten-Werten
zur Verfügung und wurde auf die verfügbare Brennstoffzellenleistung umskaliert. Diesen
Werten entsprechend wurde der Gleichstrom der Brennstoffzellenanlage gesteuert .

Abb.7 zeigt einen Ausschnitt der nachgefahrenen Tagesganglinie bei Betrieb mit
gespeichertem Wasserstoff. Das dargestellte Lastfolgeverhalten ist bei Erdgas-Betrieb
identisch.

Der jeweilige Sollwert wird bereits innerhalb einer Minute erreicht . Da der Istwert dem Sollwert
nacheilt, ergeben sich bei positiven Lastgradienten Versorgungsdefizite und bei negativen
Lastgradienten entsprechende Überproduktionen. In der Tagessumme über 24 Stunden
wurden bei Abzug der Überproduktion mehr als 98 % der angeforderten elektrischen Leistung
mit der PAFC -Anlage in Neunburg vorm Wald abgedeckt . Der Wärmebedarf des
Krankenhauses stand nicht zur Verf ügung, so daß darüber keine Aussage getroffen werden
kann.
                   Abb.7 Simulation Strombedarf eines Krankenhauses

Ein weit verbreitetes Einsatzgebiet heutiger Motoren-Blockheizkraftwerke ist der
wärmegeführte Betrieb, bei dem die Verbraucher in erster Linie mit Wärme versorgt werden,
und der Strom ins öffentliche Netz eingespeist wird.

Ein wärmegeführter Betrieb ist auch mit einer PAFC -Anlage denkbar . Die Versuchsanlage der
SWB ist für den stromgeführten Betrieb ausgelegt, so daß die Wärmeproduktion nur indirekt
über den Gleichstrom gesteuert werden kann. Abb.8 zeigt die Sprungantwort der nutzbaren
Wärmeleistung bei einem stromgeführten Sprung von 25 auf 100 % der Nennleistung.

Etwa acht Minuten nach dem Gleichstromsprung wird die entsprechende Wärmeleistung
erstmals erreicht. Nach einem kurzen Überschwingen stellt sich 20 Minuten nach dem
Gleichstromsprung bereits wieder ein stabiler Betriebszustand ein.

Ein direkter wärmegeführter Betrieb mit einer PAFC-Anlage wurde vom Zentrum f ür
Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) entwickelt. Diese Betriebsart wurde dort
mit einer 2 kW el PAFC -Anlage getestet [5]. Abb.9 zeigt die bisherigen Ergebnisse dieser
Entwicklung. Die Versuche haben gezeigt, daß auch bei einer indirekten Regelung des
Gleichstroms über die Rücklauftemperatur des Kühlkreislaufs Lastwechselzeiten der
thermischen Leistung von 15 Minuten erreicht werden.
                                     Abb.8 Wärmebereitstellung




                       Abb.9 Wärmegef ührter Betrieb 2 kW el PAFC des ZSW [5]




Emissionen
Im Mai 1995 wurden die NO x- und CO-Emissionen bei Betrieb mit Wasserstoff bestimmt. Weder im
Anoden- noch im Kathodenabgas wurden diese Stoffe gefunden. Das Kathodenabgas besteht im
wesentlichen aus Stickstoff mit 11 Vol.% Sauerstoff im trockenen Gas. Ansonsten sind noch etwa 90 %
des aus Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle gebildeten Wasserdampfs enthalten. Der nicht
umgesetzte Wasserstoff verläßt die Brennstoffzelle als Anodenabgas und wird bei Wasserstoff-Betrieb an
die Umgebung abgegeben. Wie bereits erw ähnt, könnte bei verbesserten Anlagen dieser Wasserstoff auf
die Anodeneingangsseite zurückgeführt werden, so daß kein Wasserstoff in die Umgebung gelangt.

Bei Erdgas-Betrieb können von dem Reformerbrenner NO x- und CO-Emissionen ausgehen, die bisher
noch nicht gemessen wurden.



Ausblick
Ab Herbst 1995 werden folgende Punkte des Versuchsprogramms untersucht:

      l   Messung der NO x- und CO-Emissionen des Reformerbrenners
      l   Untersuchung des An- und Abfahrverhaltens
      l   Beobachtung der Degradation bei längerem ununterbrochenem Betrieb




Literatur

[1]          M.Fuchs: Wasserstoff aus (Sonnen-) Strom, VGB Kraftwerkstechnik 75, 1995, Heft 2.
[2]          K.Hoelzner, G.Schimpf, A.Szyszka: Phosphorsaure Brennstoffzellenanlage im Versuchsbetrieb ,
             Linde Berichte aus Technik und Wissenschaft, 72/1994.
[3]          Markt für Motoren, Marktübersicht Motoren-Blockheizkraftwerke, Betrieb und Energie, 2/93.
[4]          Kail, Droste, Friedrich, Knappstein: Verhalten der PAFC-PC25 bei verschiedenen
             Betriebsanforderungen, VDI Berichte Nr. 1174, 1995.
[5]          J.Scholta, B. Rohland: Operation of a 2 kW PAFC Demonstration Unit and Investigation of the
             Heat Conducted Operation Mode, Proc . 7th Canadian Hydrogen Workshop, Quebec (CDN),
             June 4-6, 1995, in Press.

				
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