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E N E R G I E F O R U M

E N E R G I E F O R U M E n e r g i e v e r s o r g u n g Bild 5 QuattroGeneration-Anlage am Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT) in Duisburg (links) und Funktionsprinzip der QuattroGeneration-Anlage (rechts). Bild links: ZBT, Bild rechts: Fuji N2telligence künftig soll das System mit einer elektrischen Leistung von rund 200 kW auch die Kältebereitstellung übernehmen. Im Demonstrationsbetrieb der beiden BZ-Systeme können zukünftige Betriebsstrategien und neue Brennstoffe erprobt und die Flexibilitätspotenziale ermittelt werden. Die Betriebsdaten werden dazu mithilfe wissenschaftlicher Messsysteme erfasst. Sie stehen sowohl für die Analyse der ökologischen und ökonomischen Potenziale als auch zur Validierung der Simulationsmodelle in iFlex KWK 4.0 zur Verfügung. Die Erfahrungen und Erkenntnisse werden über das Netzwerk des Virtuellen Instituts den Stakeholdern der Energiewirtschaft und -forschung zur Verfügung gestellt. So wird die Beschleunigung von Entwicklungsprozessen unter Nutzung der guten Kommunikationsstruktur unterstützt. Die Ergebnisse des Projekts können zum Beispiel durch die Skalierung der BZ-Modelle in weitere Anwendungsbereiche übertragen und neue Nutzungspfade für hocheffiziente, flexible BZ-Systeme erschlossen werden. Erste Ergebnisse Bild 6 Aufbau des „Triple Combined Cycle“ (TCC)-Systems in „Ebsilon Professional 12“. Bild: GWI KWK-Konzepte für Einzelverbraucher und Quartiere in NRW. Von besonderer Bedeutung sind die Anwendungs- und CO 2 -Minderungspotenziale von BZ-Systemen bei der Versorgung von Quartieren, industriellen bis kleinen Unternehmen und auf der Landesebene von NRW. Die Methodik basiert auf der (Weiter-)Entwicklung von Simulationsmodellen innovativer BZ-Systeme (PAFC mit AKM, Hybrid-SOFC, TCC) sowie flexibler KWK-Technologien. Mit diesen werden im ersten Schritt die Anwendungsund CO 2 -Minderungspotenziale der Systemkonfigurationen in der Einzelanwendung analysiert. Die identifizierten Nutzungspfade und Ergebnisse fließen in die energetische und ökologische Analyse lokaler KWK-Versorgungskonzepte für verschiedene, dominierende Stadtraumtypen in NRW ein. Im Rahmen der übergeordneten ökonomischen Systemanalyse werden Langfristszenarien generiert, um multivariate Simulationen für unterschiedliche Zeitreihen durchzuführen. So wird auch der Einfluss energiewirtschaftlicher und regulatorischer Rahmenbedingungen auf den Betrieb der BZ-Systeme erfasst. Diese Aufgaben werden durch den Aufbau und Versuchsbetrieb von zwei innovativen Demonstrationssystemen mit Brennstoffzellen ergänzt. Im Projekt iFlex KWK 4.0 wird die bestehende Forschungsinfrastruktur am ZBT zur Demonstration einer PAFC mit 100 kW elektrischer Leistung erweitert. Dazu wird die vorhandene PAFC am Standort in Duisburg mit einer Absorptionskälte - maschine kombiniert und zur Kältebereitstellung in die Objektversorgung des ZBT integriert (Bild 5). In Demo-Hybrid-SOFC wird parallel dazu die Forschungsinfrastruktur des GWI erweitert. Hier wird das europaweit erste Hybrid-SOFC-System – bestehend aus einer SOFC mit nachgeschalteter Mikro-Gasturbine – am Standort in Essen installiert und in die Energieversorgung eingebunden. Zu- Im Projekt Transfer 4.0@KWK.NRW erfolgte die initiale Betriebsevaluation der PAFC von Fuji N2telligence am ZBT. Die Anlage mit 100 kW elektrischer Leistung zeichnet sich dadurch aus, im sogenannten QuattroGeneration-Modus neben Strom und Wärme auch Kälte und „sauerstoffarme“ Luft bereitzustellen. Die Anlange zeigte im klassischen KWK-Betrieb eine hohe Zuverlässigkeit, Stabilität und Effizienz mit Erdgas als Energieträger. Es konnten deutliche CO 2 -Emissionseinsparungen im Vergleich zu konventionellen Referenztechnologien ermittelt werden. Gegenüber einem gasbasierten Niedertemperaturkessel zur Wärmebereitstellung und dem deutschen Strommix waren dies im Bezugszeitraum (2016) knapp 16 %, gegenüber dem Strommix des Landes NRW etwa 42 %. Es wurde deutlich, dass erst durch die Einbindung zusätzlicher Wärme und insbesondere von Kälte in das Gebäude die Potenziale der Technologie voll ausgeschöpft werden können. Zur dezidierten Analyse und Demonstration des Potenzials werden weitere Anlagenkomponenten wie eine AKM, zugehörige Wärmeübertragungsmodule und Speicher im aktuellen Projekt des VI | KWK.NRW implementiert [15]. 38 BWK BD. 71 (2019) NR. 12

E n e r g i e v e r s o r g u n g E N E R G I E F O R U M Hochtemperatur-BZ, wie die SOFC, bringen für Anwendungen in der Industrie, wo Strom und Wärme bei hohen Temperaturen benötigt werden, besonderen Nutzen. Auch im GHD-Sektor und auf der Quartiersebene liegen weitere Anwendungsoptionen für SOFC-Systeme vor. Die initiale Untersuchung der technologischen, ökologischen und ökonomischen Potenziale einer flexiblen SOFC, dem TCC mit nachgeschalteter Gas- und Dampfturbine, wurde im Projekt Transfer4.0@KWK.NRW durchgeführt. Dazu wurde ein Modell des TCC in Ebsilon Professional 12 aufgebaut und parametriert (Bild 6). Mithilfe des Modells wurde die energetische, ökologische und wirtschaftliche Bewertung des TCC mit einer elektrischen Nennleistung von rund 350 kW durchgeführt. Auf Basis der (stationären) Simulation wurde ein hoher elektrischer Wirkungsgrad des TCC von rund 60 % nachgewiesen. TCC-Systeme könnten demnach bis zu 50 % der stromspezifischen CO 2 -Emissionen gegenüber dem bundesweiten Strommix einsparen, im Vergleich zum Strommix auf der Landesebene von NRW wären es knapp 70 % [15]. Hochtemperatur- Brennstoffzellen bringen für Anwendungen in der Industrie einen besonderen Nutzen. BZ-Systeme haben aufgrund der technologischen Vielfalt und in Verbindung mit weiteren Systemkomponenten zur Flexibilisierung hohe Anwendungspotenziale. Besonders die Quartiersversorgung, der Einsatz in gewerblichen und industriellen Prozessen und die Erweiterung bestehender GuD-Anlagen stellen bislang unerschlossene Nutzungspfade dar. Eine Durchdringung des Marktes setzt dabei den wirtschaftlichen Betrieb voraus, der aktuell durch vergleichsweise hohe Investitionskosten noch nicht gegeben ist. Auch aufgrund der aktuellen Fragestellung zur Nutzung synthetischer Gase und Wasserstoff aus PtG sind anwendungsnahe Projekte, wie im VI | KWK.NRW, zwingend erforderlich für die Etablierung der BZ- Technologie als Element des zukünftigen Energiesystems. • L I T E R A T U R [1] Görner, K.; Lindenberger, D.: Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme – Flexibi - lisierungsoptionen im Strom-Gas-Wärme- System. Abschlussbericht, Band II, 2018. [2] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): Dialogprozess Gas 2030 – Erste Bilanz. Oktober 2019, https://www.bmwi. de/Redaktion/DE/Downloads/C-D/dialog prozess-gas-2030-erste-bilanz.pdf?__blob= publicationFile&v=4 (abgerufen am 4.11.19). [3] IZES gGmbH Institut für ZukunftsEnergieund Stoffstromsysteme: Analyse und Bewertung von Instrumenten zur Markteinführung stationärer Brennstoffzellen. Saarbrücken, September 2006. [4] Öko-Institut e. V.: Methodenpapier zur Bewertung von KWK-Anlagen in mittelfristiger Perspektive bis 2030. Berlin, Juli 2015. [5] Schmidt, M.; Spitta, C.; Vrangos, V.: Roadmap | KWK.NRW – Einsatz von KWK-Technologien in NRW – Detailfragestellungen und Forschungsagenda. Abschlussbericht zum Verbundprojekt, 2017, https://www.gwi-essen.de/fileadmin/ dateien/abschlussberichte/roadmap_l_ KWK_NRW_-_Abschlussbericht_web.pdf (abgerufen am 4.11.19). [6] Prag, C. B.; Nielsen, E. R.: Learning points from demonstration of 1000 fuel cell based micro-CHP units – Summary of analyses from the ene.field project. Oktober 2017, http://enefield.eu/wp-content/uploads/2017/ 10/ene.field-Summary-Report.pdf (abgerufen am 4.11.19). [7] Initiative Brennstoffzelle e. V. c/o Zukunft Erdgas e. V.: Stationary fuel cell – Oppor - tunities & Threats. 19.3. 2019, https://www.bdh-koeln.de/fileadmin/user_ upload/ISH2019/Praesentationen/Mittwoch/ 4_SH_20190313_Schaarschmidt.pdf (abgerufen am 4.11.19). [8] Gas- und Wärme-Institut Essen e. V.: Projektsteckbrief – KWK plus Speicher, 2017. https://www.gwi-essen.de/fileadmin/datei en/pdf/Forschung/Steckbriefe_lfd._Projekte/ Jahr_2017/Steckbrief_KWK_plus_Speicher. pdf (abgerufen am 4.11.2019). [9] Damo, U.; Ferrari, M.; Turan, A.; Massard, A.: Solid oxide fuel cell hybrid system: A detailed review of an environmentally clean and efficient source of energy. Energy, Bd. 168, pp. 235 - 246, 23.11.2019. [10] Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd. (MHPS): MHPS Selects „MEGAMIE“ as the Series Name for ITs Integrated Fuel Cell and Gas Turbine Hybrid Power Generation System. 8.11.2018. https://www.mhps.com/ news/20181108.html (abgerufen am 4.11.19). [11] Mitsubishi Heavy Industries, LTD: Power Systems Business Plan. 5.6.2018. https://www.mhi.com/finance/library/ business/pdf/ps2018.pdf (abgerufen am 4.11.19). [12] Forschungszentrum Jülich: Brennstoff - zellentypen und ihr Entwicklungsstand. https://www.energie-agentur.nrw/ netzwerk/brennstoffzelle-wasserstoffelektromobilitaet/brennstoffzellentypen? mm=Brennstoffzellen#ts (abgerufen am 12.10.2019). [13] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. | v2 vom 29. März 2018: Technologiebericht 2.2b Dezentrale Kraftwerke (Motoren und Turbinen) innerhalb des Forschungsprojekts TF_Energiewende. Stuttgart, 2018. [14] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): Bundesbericht Energieforschung 2019. Berlin, April 2019. https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/ Publikationen/Energie/bundesberichtenergieforschung-2019.html (abgerufen am 4.11.19). [15] Lucke, N.; Spitta, C.; Vrangos, V.: Transfer4.0 @KWK.NRW – Im Rahmen des Virtuellen Instituts | KWK.NRW; Abschlussbericht zum Verbundprojekt, 2017. http://vi.virtuellesinstitut-kwk-nrw.de/wp-content/uploads/ 2017/11/Transfer4_Abschlussbericht_final. pdf (abgerufen am 4.11.19). N a d i n e L u c k e , M.Eng. Projektleiterin Brennstoffund Gerätetechnik, Gasund Wärme-Institut Essen e. V. (GWI); Koordinatorin des Virtuellen Instituts | KWK.NRW lucke@gwi-essen.de Bild: Lucke F r e d e r i c F r a n k e n h o f f , M.Sc. Projektleiter Brennstoffund Gerätetechnik, Gasund Wärme-Institut Essen e. V. (GWI) Dr.-Ing. R o l f A l b u s Geschäftsführender Vorstand, Gas- und Wärme- Institut Essen e. V. (GWI) Prof. Dr.-Ing. habil. K l a u s G ö r n e r Leiter des Lehrstuhls Umweltverfahrens- und Anlagentechnik, Universität Duisburg-Essen; Wissenschaftlicher Vorstand Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. (GWI) Dr.-Ing. V a s s i l i o s V r a n g o s Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projekt - leiter am Lehrstuhl Umweltverfahrens- und Anlagentechnik, Universität Duisburg-Essen Dr.-Ing. C h r i s t i a n S p i t t a Stellvertretender Abteilungsleiter Gas - prozesstechnik, Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT), Duisburg BWK BD. 71 (2019) NR. 12 39

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