mtce

 


Dipl.-Ing. Meinolf Trondt 
 
Consulting&Engineering

 

 

Brennstoffzellen-Kraftwerk

In vielen Szenarien und Vorschlägen zur CO2-Minderung spielt das Brennstoffzellenkraftwerk auf Kohlebasis eine zentrale Rolle. In den USA wurden bereits Anfang der 80iger Jahre - u.a. gefördert durch das Electric Power Research Institute in Palo Alto (EPRI) - Machbarkeitsstudien durchgeführt, in denen das Potential der zentralen Stromerzeugung durch Brennstoffzellenkraftwerke mit integrierter Kohlevergasung untersucht wurde. Als Brennstoffzellen kommen dafür nur Hochtemperatur- Brennstoffzellen ( MCFC und SOFC) in Frage, da nur bei ihnen eine Nutzung der Abwärme auf hohem Temperaturniveau zur Dampferzeugung möglich ist. Ein weiterer Vorteil der Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist, dass CO und CH4 direkt umgesetzt werden. Ein Betrieb unter Druck ist möglich und bietet Vorteile.

Folgende Aspekte sind bei der Konzeption eines Brennstoffzellenkraftwerks mit integrierter Kohlevergasung  zu berücksichtigen

  • Wahl eines geeigneten Kohle-Vergasungsverfahren
  • Anforderungen an die Gasaufbereitung
  • Optimierung der Anlagenkonfiguration
  • Wirkungsgrad der Stromerzeugung bezogen auf das Gesamtsystem
  • Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen

Ein typisches Design für ein Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Kraftwerk mit integrierter Vergasung beinhaltet folgende Untersysteme

  • Vergasungssystem bestehend aus
    • Vergasung  unter Druck (20 bis 40 bar) mit Abhitzesystem zur HD-Dampferzeugung
    • Sauerstofferzeugung für die Vergasung
    • Gasreinigung und - aufbereitung
    • Abwasserbehandlung
    • Entspannungsturbine vor Eintritt in die Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die unter Druck( 4 bis 10 bar) betrieben wird
  • Brennstoffzellensystem   bestehend aus
    • Brennstoffzelle mit Brenngasvorwärmung und Kathodenkreislauf zur Wärmeabfuhr
    • Inverter zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom
    • (Katalytische) Verbrennung für das nicht vollständig in der Brennstoffzelle umgesetzte Brenngas (bei der MCFC mit Rückführung zur Kathode)
    • Abhitzesystem zur HD-Dampferzeugung
    • Verdichter für Verbrennungsluft bei Druckbetrieb sowie div. Kreislaufverdichter
    • Entspannungsturbinen für das(die) Brennstoffzellenabgas(e ) mit nachgeschaltetem Abhitzesystem zur HD-Dampferzeugung
  • Dampfturbine mit Generator    

Diese Untersysteme sind so aufeinander abzustimmen, dass ein möglichst hoher Stromerzeugungs- Gesamtwirkungsgrad erzielt wird. Ein wesentlicher Punkt bei der Beurteilung eines solchen Systems ist darüber hinaus auch ein  hoher technischer Entwicklungsstand für alle Einzelkomponenten, um eine hohe Verfügbarkeit des Brennstoffzellenkraftwerks zu gewährleisten.

Inzwischen wurden zwar wesentliche Fortschritte bei der Entwicklung der HT-Brennstoffzellen gemacht. MCFC- und SOFC- Brennstoffzellen auf Basis Erdgas mit interner oder externer Reformierung und Leistungen bis zu 1 MW befinden sich in der Erprobungsphase. Dennoch lassen es der gegenwärtige Entwicklungsstand der Hochtemperatur-Brennstoffzellentechnik und die zu erwartenden hohen Investkosten für Brennstoffzellen - Kraftwerke auf Basis Kohle derzeit nicht erwarten, dass diese in Kürze einen wesentlichen Beitrag zur Stromerzeugung beitragen können . 

Heute wird neben dem Einsatz von Kohle auch der Einsatz von Biomasse für Brennstoffzellen-Kraftwerke mit integrierter Vergasung vorgeschlagen . Es gelten die gleichen grundsätzlichen Überlegungen wie für den Einsatz von Kohle.