Systemanalyse und Betriebsführung eines Brennstoffzellen-BHKW

Abstract

Eine wichtige Technologie zur effektiven Energienutzung ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in dezentralen Anlagen. Im Gegensatz zu zentralen Großkraftwerken kann dabei Abwärme zu Heizzwecken genutzt werden. Heutige KWK-Anlagen arbeiten mit Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen und sind dadurch im Wirkungsgrad durch den Carnot-Faktor begrenzt. Brennstoffzellen ermöglichen hingegen thermodynamisch einen wesentlich höheren elektrischen Wirkungsgrad. Durch ihren modularen Aufbau können Brennstoffzellen in einem weiten Leistungsbereich gebaut werden. Dies ermöglicht auch Anlagengrößen von nur wenigen Kilowatt zur Versorgung von Wohngebäuden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Steuerung und Regelung von Brennstoffzellen-KWK-Anlagen zur Hausenergieversorgung. Ziel ist die Entwicklung eines Steuerungskonzepts für eine erdgasbetriebene Anlage unter Berücksichtigung des dynamischen Betriebs. Weiterhin soll der stationäre Betrieb mit maximal möglichem Wirkungsgrad erfolgen. Der beschriebene Lösungsweg besteht aus der theoretischen Analyse der Anlage mit dem Ergebnis eines mathematischen Modells. Darauf aufbauend und kombiniert mit den Betriebserfahrungen an einer Laboranlage wurde das Steuerungskonzept entwickelt. Die Verifikation des Modells und der Steuerung erfolgte experimentell an dieser Laboranlage. Schwerpunkt der Arbeit ist die bedarfsangepasste, geregelte Gasversorgung der Brennstoffzelle basierend auf einem aus der Verteilung der Zellspannungen berechneten Indikator.