Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Betriebskonzepts für die Mikrogasturbine in einem MGT/SOFC Hybridkraftwerk

Abstract

Ein Hybridkraftwerk, eine Kopplung von Gasturbine (GT) und Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), bietet langfristig gesehen den höchsten elektrischen Wirkungsgrad. Durch seine gute Skalierbarkeit ist das Hybridkraftwerk sowohl im dezentralen Bereich als auch im Bereich der Großkraftwerke einsetzbar. Hierbei können je nach Anlagengröße elektrische Wirkungsgrade von 60 % bei kleinen Anlagen bis hin zu 70 % bei Großanlagen erreicht werden. Die Firma Siemens Westinghouse konnte mit einem Demonstrator bereits im Jahre 2000 die generelle Machbarkeit eines Hybridkraftwerks zeigen. Die Firma Mitsubishi Hitachi Power Systems führt seit 2016 Demonstrationstests durch. Für die Weiterentwicklung des Hybridkraftwerks und für das Verständnis der Zusammenhänge im System ist jedoch, aufgrund der Unterschiede der beiden Subsysteme Gasturbine und SOFC, noch ein hoher Forschungsaufwand notwendig. Während bei Gasturbinen typischerweise hohe Druck- und Temperaturgradienten auftreten, stellt die SOFC ein träges System dar, bei dem strenge Limitierungen in den genannten Gradienten sowie Druckdifferenzen einzuhalten sind. Um bei der Untersuchung der einzelnen Subsysteme unter Hybridkraftwerksbedingungen das Risiko einer Beschädigung der jeweiligen anderen Komponente zu umgehen, bietet sich der Einsatz von Hybridkraftwerksversuchsanlagen an, bei welchen ein Subsystem durch einen Simulator ersetzt wird, der die Eigenschaften der realen Komponente möglichst genau nachbilden kann. Prinzipiell sind in einem Hybridkraftwerk unterschiedliche Verschaltungen der Subsysteme denkbar. Dabei kann die SOFC unter Druck oder atmosphärisch betrieben werden. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurden mittels numerischer Untersuchungen verschiedene Varianten hinsichtlich Wirkungsgrad und Betriebsbereich analysiert. Als Basis für die Simulationen wurde eine kommerziell erhältliche Turbec T100PH Mikrogasturbine (MGT) mit einer elektrischen Leistung von 100 kWel und ein tubulares SOFC System der Firma Siemens ausgewählt. Dabei zeigte sich, dass der höchste elektrische Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn die SOFC in den Gasturbinenkreislauf zwischen Rekuperator und Turbine integriert wird. Die SOFC sollte dabei eine Größe von 1152 Zellen haben um einen möglichst großen Betriebsbereich zu bieten. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Betriebskonzepts für die Turbec T100PH Mikrogasturbine in einem MGT/SOFC Hybridkraftwerk. Dabei sollten das bestehende Steuerungs- und Regelungssystem und die Komponenten der originalen Mikrogasturbine mit nur möglichst geringen Modifikationen übernommen werden. Das Betriebskonzept umfasst den Start, Aufheiz- und Abkühlvorgänge an der SOFC, Lastwechsel und das Herunterfahren der Anlage sowie den Einsatz von Notfallmanövern in kritischen Betriebszuständen. Als Grundlage für die Untersuchungen wurde auf Basis der Turbec T100PH ein Prüfstand aufgebaut und detailliert instrumentiert. Die Mikrogasturbine wurde sowohl in transienten Manövern als auch in stationären Punkten charakterisiert. Mit Hilfe der Untersuchungen konnte ein Basisdatensatz erzeugt werden, der sowohl für den Vergleich mit der Hybridkraftwerksversuchsanlage herangezogen, als auch zur Validierung von numerischen Modellen eingesetzt werden kann. Für die Hybridkraftwerksversuchsanlage wurde anstelle einer realen SOFC ein Simulator entworfen und aufgebaut, der das Volumen der Kathodenseite, den Druckverlust, die Aufenthaltszeit und die Austrittstemperatur einer SOFC nachbilden kann. Der SOFC Simulator wurde über ein Rohrleitungssystem mittels verschiedener Stränge mit der Mikrogasturbine gekoppelt. Über den Hauptpfad ist er zwischen Rekuperatoraustritt und Brennkammereintritt integriert und kann über einen Bypass-Strang umgangen werden. Ein weiterer Strang, der vom Verdichteraustritt zum Simulator führt, kann für Aufheiz- und Abkühlvorgänge eingesetzt werden. Die Komponenten des Hybridkraftwerksaufbaus wurden schrittweise in den MGT Prüfstand integriert, um ihren Einfluss auf den stabilen Betriebsbereich und das Betriebsverhalten der MGT zu analysieren. Die Untersuchungen zeigten dabei einen eingeschränkten Betriebsbereich der Hybridkraftwerksversuchsanlage aufgrund des erhöhten Druckverlusts, der durch die Komponenten zwischen Verdichter und Turbine aufgebracht wird. Die transienten Manöver Start, Stopp und Lastwechsel, sowie Strangumschaltungen und Notfallmanöver wurden in unterschiedlichen Varianten mit Hilfe der verschiedenen Stränge getestet und hinsichtlich ihrer Eignung für das Betriebskonzept bewertet. Dabei konnte gezeigt werden, dass alle für einen Hybridkraftwerksbetrieb notwendigen Manöver trotz gewisser Einschränkungen durchführbar sind. Gleichzeitig wurden Optimierungspotenziale an der MGT für ein real gekoppeltes Hybridkraftwerk aufgezeigt. Darüber hinaus wurde der Effekt unterschiedlicher SOFC Austrittstemperaturen auf den Betrieb der Gesamtanlage untersucht. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurden die am besten geeigneten Vorgehensweisen für die jeweiligen Manöver ausgewählt und nochmals mit dem Fokus auf das SOFC System analysiert, bevor in einem letzten Schritt das Betriebskonzept abgeleitet wurde. Für ein Hybridkraftwerk auf Basis einer kommerziellen Turbec T100PH konnte somit erfolgreich ein erstes Betriebskonzept aufgestellt werden. Gleichzeitig zeigt die Arbeit aber auch Optimierungspotenziale an der MGT, vor allem im Bereich der Brennkammer, um einen weiten, stabilen Betriebsbereich zu erreichen.