Effiziente Verstromung von Biogas in einem SOFC-System : Entwicklung, Charaktersieirung und Betriebsverhalten

Oelze, Jana

Der Einsatz von Biogas in SOFC-Brennstoffzellen ermöglicht eine wirkungsgradoptimierte Nutzung des Methans im Vergleich zu BHKW-Anwendungen. Ziel dieses AiF-Projektes und dieser Arbeit war der Nachweis, dass die kombinierte Trocken/Dampf-Reformierung von Biogas mit der Verstromung des resultierenden Reformatgases in einer SOFC technisch realisierbar sind und das Gesamtsystem sicher und dauerhaft mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Zusätzlich ist eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erfolgt. Der Aufbau eines solchen Systems bedingt die Kenntnis der zu erwartenden Biogaszusammensetzung inklusive der Schadkomponenten wie Schwefel, Siloxanen, Fluor und Chlor und deren Auswirkungen auf die SOFC. Die Biogaszusammensetzung und die vorhandenen Schadkomponenten sind abhängig vom eingesetzten Substrat und der Betriebsweise der Biogasanlage. Zusätzlich zu Literaturwerten wurde exemplarisch eine Biogasanlage (Nordzucker AG, Werk Uelzen) ausgewählt und ein umfangreiches Monitoring der Biogaszusammensetzung durchgeführt. Anhand dieser Daten konnte eine Gasfeinreinigung entwickelt, unter Laborbedingungen charakterisiert und nach erfolgtem Upscaling an der Biogasanlage erprobt werden. Um das Biogas in einer SOFC verstromen zu können, muss eine vorgeschaltete Reformierung erfolgen, welche anhand der ermittelten Biogaszusammensetzungen vom ZBT Duisburg entwickelt wurde. Die Auswirkungen eines direkten Einsatzes des Biogases in der SOFC wurden in einer Ofenumgebung untersucht und ergaben, dass die vorgeschaltete Reformierung notwendig ist, um ein adäquates Thermomanagement zu ermöglichen. Die interne Reformierung in der SOFC führt durch deren Endothermie zur Abkühlung der Zellen, welche die Exothermie der Verstromung im kleinen Leistungsbereich bis 1 kWel nicht kompensieren kann. Anschließend wurden umfangreiche Untersuchungen mit simuliertem Biogasreformat in der SOFC durchgeführt und anhand der Ergebnisse ein Betriebsfenster für das SOFC-Biogas-System festgelegt. Ein 1400 h Dauerversuch mit synthetischem Biogasreformat erlaubte eine Degradationsabschätzung bei Einsatz einer Biogasreformatgasmischung unter Idealbedingungen. Im Ergebnis zeigte sich keine nennenswerte Degradation der Zelle. Das SOFC-Systemkonzept wurde entwickelt, aufgebaut und eine Steuerung inklusive Sicherheitskonzept erarbeitet und implementiert. Die Inbetriebnahme erfolgte unter Laborbedingungen zunächst mit reinem Methan und anschließend mit synthetischem Biogas. Es wurde eine Parametervariation durchgeführt, um das System zu charakterisieren und Betriebsfenster zu ermitteln. Nach Abschluss der Voruntersuchungen wurde das System bei der Nordzucker AG mit realem Biogas betrieben und die Parametervariation wiederholt. Das Biogas der Nordzucker AG weist sehr hohe Methankonzentrationen und vergleichsweise wenige Schadkomponenten auf. Um das System in Hinblick auf den Einsatz an anderen Biogasanlagen beurteilen zu können, wurden zusätzlich Versuche mit synthetischem Biogas mit Methangehalten von 50 bis 80 Vol.-% durchgeführt. Dabei lag der Fokus auf vier Betriebsführungsstrategien, deren Leistung und Wirkungsgrad ermittelt und bewertet wurde. Um die Wirtschaftlichkeit eines solchen SOFC-Systems zu beurteilen, erfolgte ein Vergleich der experimentell ermittelten Daten mit einem Biogas-BHKW.

Using biogas in SOFC fuel cells allows an effective use of methane compared to CHP applications. The aim of both the public funded project und this work was to prove that a combined dry/steam reformation of biogas with the power generation of the resulting biogas is technically feasible and that the complete system can be run safely and durably with a high efficiency. Moreover an economic efficiency calculation has been made. The setup of such a system requires the understanding of the expected composition of the biogas including the harmful substances like sulphur, siloxane, fluorine and chlorine and their influences on the SOFC. The composition of the biogas and the harmful substances depend on the applied substrate and the operation of the biogas plant. In addition to reference values, a biogas plant (Nordzucker AG, Werk Uelzen, Germany) was chosen as an example and a complex monitoring of the biogas composition was conducted. Based on this data a gas purification unit was developed, characterised under laboratory conditions and tested at the biogas plant after a successful upscaling. In order to generate power from biogas in a SOFC an upstream reforming process is necessary, which was developed by ZBT Duisburg using the measured biogas composition. The effects of a direct use of the biogas in a SOFC were tested in a furnace environment and indicated that the upstream reforming is necessary in order to allow an adequate thermal management. Internal reforming cools down the SOFC cells because the exothermic reaction by power generation up to 1 kWel can not compensate the endothermic reforming. Subsequently extensive tests with simulated biogas reformate in a SOFC stack were realised and an operational window was determined. A long term test with simulated biogas for 1400 h allowed a degradation appraisal under ideal conditions. In fact there was no significant degradation of the used cells. The SOFC system was engineered, constructed, a control system was implemented and a safety system was developed. The start-up under laboratory conditions occurs with methane and synthetical biogas. To characterize the system and determine an operation window a parameter variation was realized. The parameter variation was repeated at the biogas plant. The biogas plant from Nordzucker produces high calorific values by high methane concentrations and offers poor contaminant concentrations. Additional tests with methane concentrations from 50 up to 80 Vol.-% gave a hint for system operation at different biogas plants. Four operation modes were tested and benchmarked. To estimate the economic efficiency the SOFC system was compared with biogas CHP using experimental data.

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Oelze, Jana: Effiziente Verstromung von Biogas in einem SOFC-System : Entwicklung, Charaktersieirung und Betriebsverhalten. 2016.

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