Residential Microgrid | Technische und wirtschaftliche Analyse eines Festoxid-Brennstoffzellen-(Engl. SOFC)-Kraft-Wärme-Kopplungssystems für Wohngebäude mittels Systemsimulation

Um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, sind SOFCs in der Regel Teil eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems (KWK – Engl. CHP), da ihr Betrieb bei hohen Temperaturen die Nutzung der Abwärme für die Warmwasser- und Raumheizung ermöglicht – sowie für Kühlzwecke, wenn sie mit einer Absorptions- oder Adsorptionsmaschine gekoppelt sind.

Die Fähigkeit von SOFCs, mit verschiedenen Brennstoffen wie Erdgas, Methanol oder direkt mit Wasserstoff zu arbeiten, bietet eine hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Lösung in Bezug auf Brennstoffverfügbarkeit, lokale Versorgungsbesonderheiten und zukünftige Entwicklungen.

Das Ziel dieses Artikels ist es, das Systemmodell eines vollständigen SOFC-Mikro-KWK-Systems für Wohngebäude auf Basis eines jährlichen Verbrauchsprofils zu präsentieren und die Kosten sowie die Emissionen eines solchen Systems mit verschiedenen Energieträger-Szenarien zu vergleichen.

Eine SOFC und ihre Hauptmerkmale

Eine Brennstoffzelle – unabhängig von der verwendeten Technologie – ist ein System, das durch eine elektrochemische Reaktion Strom erzeugt. In dieser Redoxreaktion werden Wasserstoff und Sauerstoff kombiniert, wodurch elektrische Energie, Wärme und Wasser entstehen. Die beiden Elektroden, Anode und Kathode, sind durch einen Elektrolyten getrennt, der den Ionentransport von einer Elektrode zur anderen ermöglicht. Abbildung 1 veranschaulicht dieses Prinzip.

Abbildung 1: Oxidations-Reduktions-Reaktion in einer SOFC

Während die meisten Brennstoffzellen direkt mit reinem Wasserstoff betrieben werden, sind SOFCs brennstoffflexibel und können beispielsweise mit Biokraftstoffen (z. B. Methanol, Ethanol), Biogas, Synthesegas sowie mit herkömmlichen fossilen Brennstoffen wie Erdgas betrieben werden.

In diesem Fall ist ein katalytischer Brennstoffreformierungsprozess (intern oder extern) Teil des Systems.

Ein weiteres zentrales Merkmal von SOFCs ist die hohe Betriebstemperatur, die zwischen 700 und 1000 °C liegt. Dies eröffnet zahlreiche Möglichkeiten für Kraft-Wärme-Kopplungssysteme (KWK) und erhöht den Systemwirkungsgrad auf bis zu 90 %. Gleichzeitig stellt diese hohe Temperatur eine Herausforderung dar, insbesondere in Bezug auf die Anlaufzeit und den Betrieb unter variablen Belastungen.

Ein nicht zu vernachlässigender Vorteil ist die Fähigkeit von SOFCs, reversibel zu arbeiten und somit im Elektrolysemodus zu funktionieren. In diesem Fall spricht man von einer reversiblen Festoxid-Brennstoffzelle (rSOC). Diese Funktionalität ist seit der Version Simcenter™ Amesim™ 2310 verfügbar.

Überblick über rSOC- und Reformermodellierung mit Simcenter Amesim

Um SOFC-basierte Systeme abzubilden, wurden in Simcenter Amesim 2310 drei neue Komponenten eingeführt (siehe Abbildung 2):

• Eine skalierbare rSOC-Komponente, die auf den elektrochemischen Gleichungen von Butler-Volmer basiert und die Vorhersage der Aktivierungs-, ohmschen und Konzentrationsverluste ermöglicht, wobei sowohl H₂ als auch CO als Brennstoffe berücksichtigt werden.
• Zwei Dampfreformierungs- und Wasser-Gas-Shift-Komponenten für Methan (einschließlich einer autothermen Option) und Methanol, basierend auf standardmäßigen literaturgestützten Reaktionskinetiken (mit einer benutzerdefinierten Option).

Abb. 2: Simcenter Amesim – rSOC-, Methan- und Methanol-Reformer-Komponenten

Nachfolgend sind die einzelnen Validierungsergebnisse dieser Komponenten dargestellt.

Abbildung 3 zeigt die vollständige Polarisationskurve (negative Stromwerte für den Elektrolysemodus). Diese Kurve wurde bei 850°C, mit 50% H₂ und 50% H₂O an der Anode, 100% O₂ an der Kathode und einer Brennstoffausnutzung von 68% erstellt.

Das Simulationsergebnis wird mit Ref. 1 verglichen.

Abb. 3: Simcenter Amesim – Beispiel einer rSOC-Polarisationskurve

Bezüglich des Reformers zeigt Abbildung 4 die Entwicklung der CH₄-Umwandlungsrate [%] eines Dampfmethanreformers in Abhängigkeit von der Temperatur [°C] für verschiedene Dampf-Kohlenstoff-Verhältnisse und unterschiedliche Druckwerte.

Die Ergebnisse werden mit Ref. 2 verglichen.

Abb. 4: Simcenter Amesim – Methanreformer – CH₄-Umwandlungsrate unter verschiedenen Bedingungen

Anwendungsbeispiel: Modellierung eines SOFC-m-KWK-Systems für Wohngebäude mit Simcenter Amesim

Wie bereits erwähnt, sind die beiden Hauptvorteile von SOFCs:

• Brennstoffflexibilität
• Hoher Wirkungsgrad bei Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Dies macht sie zu einer idealen Lösung für Wohnsysteme oder sogar Rechenzentren, in denen sowohl elektrische als auch thermische Energie verbraucht wird – unter variablen Lastbedingungen, die sowohl vom Nutzungsverhalten als auch von den Umgebungsbedingungen abhängen. Die kontinuierliche Energieversorgung ist dabei von höchster Bedeutung, doch auch Effizienz, Energiequellen und Speicherung haben einen direkten Einfluss auf die Kosten und die CO₂-Emissionen.

Hier kommt die Systemsimulation als pragmatischer und effizienter Ansatz zur Dimensionierung und Analyse solcher Systeme ins Spiel. Zu den wichtigsten Ergebnissen der Systemsimulation zählen:

• Kostenoptimierung durch Netzstabilisierung
• Optimierung des Systemwirkungsgrads (Co-Generation, Kraft-Wärme-Kopplung, Energiespeicherung, … etc.)
• Optimierung der Steuerung von System und Komponenten
• Dimensionierung von System und Komponenten auf der Grundlage statistischer Daten zum Wetter und zum Standort
• Produktionsvorhersage auf Grundlage von Wetterprognosen (Wind, Temperatur, Sonneneinstrahlung, … etc.)
• Analyse der verschiedenen Optionen, die die wirtschaftliche und betriebliche Durchführbarkeit eines ausgewählten Designs bestimmen
• Sicherheit/Standardbetrieb: Was-wäre-wenn-Szenarien/Start- und Abschaltverfahren

Als Anwendungsbeispiel wurde in Simcenter Amesim ein SOFC-m-KWK-Modell für Wohngebäude entwickelt, um verschiedene Szenarien zur Energienachfrage in Haushalten zu simulieren.

Abb. 5 (unten) zeigt eine schematische Darstellung des Systems.

Abb. 5: Schematische Darstellung eines SOFC m-KWK-Systems für Wohngebäude

Das System umfasst:

• eine mit Erdgas betriebene SOFC/Reformer-Anlage, die Strom erzeugt und Wärme für das Haus liefert
• einen Batteriesatz zur Stromspeicherung, um die Schwankungen der Stromlast aufzufangen
• einen Anschluss an das Stromnetz, um Strom auszutauschen, wenn die Nachfrage die Systemkapazität über- oder unterschreitet

Das entsprechende Simcenter-Amesim-Modell wird in der folgenden Abbildung 6 dargestellt:

Abb. 6: Simcenter Amesim Modell eines SOFC-m-KWK-Systems für Wohngebäude

Die Hauptkomponenten des Systems sind:

• Eine Erdgasversorgung (oben rechts)
• Ein Gasvorwärmer und ein Wasserverdampfer, die mit der Abgasleitung der SOFC verbunden sind
• Eine SOFC, ein Dampfmethanreformer und eine Nachverbrennungseinheit
• Ein Gleichstrombus, der mit der Batterie, dem Netz und dem Haus verbunden ist
• Ein Luftvorwärmer und ein Wärmetauscher für das Haus (zur Warmwasser- und Raumheizung), die mit der (Fuel)Abgasleitung der SOFC verbunden sind
• Ein Logik-Controller, der das System überwacht und steuert

Wir sehen, dass das Systemmodell von Natur aus multiphysikalisch ist, da es elektrische, gasförmige, wasserbasierte, chemische, elektrochemische und thermische Domänen kombiniert. Dadurch können transiente Analysen mit variablen Randbedingungen durchgeführt und Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen berücksichtigt werden.

Nach einer ersten Dimensionierung der verschiedenen Komponenten wurde eine Jahressimulation basierend auf bestehenden Wohngebäude-Lastprofilen und Außentemperaturverläufen (aus Ref. 3) durchgeführt.

Die beiden folgenden Abbildungen zeigen die Entwicklung über ein Jahr. Abbildung 7: Außentemperaturverlauf – Abbildung 8: Haus-Strombedarf, Leistung der Brennstoffzelle, Batterie- und Netzleistung sowie den Ladezustand der Batterie, (Engl. State of Charge, SoC)

Abb. 7: Außentemperaturverlauf

Abbildung 8: Elektrische Last und Leistung der Brennstoffzelle, Batterie- und Netzleistung sowie Ladezustand der Batterie

Die Hauptannahmen des Modells basieren auf folgenden Punkten:

• Konstante SOFC Belastung: Aufgrund der geringen Dynamik solcher Systeme (bedingt durch die hohe Betriebstemperatur) – was für die meisten heutigen vergleichbaren Systeme zutrifft. Allerdings ist das Modell nicht auf konstante Lasten beschränkt, sondern ermöglicht auch transiente Analysen, z. B. für Aufwärm-, Anfahr- und Abschaltphasen.
• Die Außentemperatur wird zur Berechnung des Heiz- und Kühlbedarfs verwendet, um eine Raumtemperatur von 20°C im Winter und 22°C im Sommer aufrechtzuerhalten.
• Je nach Strombedarf kann die Leistung entweder von der SOFC, der Batterie oder dem Netz bereitgestellt werden. Bei geringem Leistungsbedarf kann zudem Strom ins Netz oder in die Batterie eingespeist werden.

Betrachtet man die globale Effizienz des SOFC-Systems (Abbildung 9), zeigt sich, dass die reine Brennstoffzellenstapel-Effizienz bei 57% liegt. Berücksichtigt man jedoch die Kraft-Wärme-Kopplung (m-CHP), steigt die Effizienz auf über 90%.

Abbildung 9: Effizienz des globalen Systems

Am Ende bietet diese Studie 2 wertvolle Ergebnisse, die wir im Folgenden beschreiben werden:

• Schätzung der Energiekosten
• CO2 -äquivalente Emissionen

Für diese Einschätzungen schlagen wir verschiedene Szenarien und Annahmen vor, die wir für zwei europäische Länder anwenden werden -Frankreich und Deutschland- (unter Verwendung derselben Temperatur- und Belastungsprofile).

Bei den Kosten berücksichtigen wir den Einzelhandelspreis für Erdgas und Strom im jeweiligen Land ab Dezember 2022 und bei den CO2-äquivalenten Emissionen den Energie-Mix des jeweiligen Landes. Es werden folgende Szenarien verglichen:

1. SOFC m-CHP-Szenario wie in diesem Artikel beschrieben
2. Energieversorgung ausschließlich aus dem Netz
3. Energieversorgung aus dem Netz für Strom und Gas für Raumheizung und Warmwasserbereitung
4. Energieversorgung mit reinem grünen Wasserstoff mit einem aktuellen Kostenvoranschlag pro kg
5. Energieversorgung mit reinem grünen Wasserstoff im Jahr 2030 mit geschätzten Kosten von 5 € pro kg H2

Eine Zusammenfassung der Annahmen zu Preisen und Energie(träger)-Mix ist in Abbildung 10 zu sehen:

Abb. 10: Endverbraucherpreise und Annahmen zum Energiemix für die Schätzung von Kosten und CO2-äquivalenten Emissionen

Abb. 11: Schätzung der Gesamtenergiekosten für verschiedene Energieträgerszenarien

Abb. 12: CO2-äquivalente Emissionen für verschiedene Energieträgerszenarien

Aus den obigen Abbildungen geht hervor, dass das SOFC-m-KWK-System für Deutschland derzeit das beste Szenarium in Bezug auf Kosten und CO2-Emissionen darstellt, während das vollelektrische Szenarium für Frankreich aufgrund des hohen Anteils der Kernenergie am Gesamtenergie-Mix das beste ist.

Das Wasserstoffszenario, bei dem nur grüner Wasserstoff berücksichtigt wird, ist heute das teuerste, aber bis 2030 sehr vielversprechend, wenn das Ziel von 5 €/kg H2 erreicht werden kann.

Man beachte, dass das Wasserstoffszenario negative CO2-Emissionen aufweist, wenn man den Teil des grünen Wasserstoffs berücksichtigt, der ins Netz eingespeist wird.

Schlussfolgerungen und Perspektiven

Wir haben aufgezeigt, dass Systemsimulation eine große Hilfe bei der Planung und Dimensionierung Ihres SOFC-basierten Energiesystems ist. So können die damit verbundenen Kosten und CO2-Emissionen schnell abgeschätzt und mit anderen Energieversorgungssystemen verglichen werden.

Die Variabilität der Umgebungs- und Betriebsbedingungen wie Druck und Temperatur werden in den vorgestellten Modellen berücksichtigt, so dass die Energieerzeugung, die Speicherung und der Austausch mit dem Netz prognostiziert werden können.

Diese Art von Modell kann auch für Anfahr- und Abschaltszenarien verwendet werden.

Quelle: Dieser Artikel wurde von Benoit Honel verfasst, im Siemens-Blog (https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/solid-oxide-fuel-cell-system-simulation/) veröffentlicht und sodann übersetzt.

Anmerkung des Verfassers: I’d like to thank Sthefi Klaus who made most of this model during her internship at Siemens SISW in Lyon, France and as part of her Densys master thesis with the support of Colas Flament and myself.