Brennstoffzellensysteme auf Basis regenerativer Energieträger

Abstract

Der Einsatz von regenerativen Energieträgern in Brennstoffzellensystemen ermöglicht eine beachtliche Reduzierung von Treibhausgasemissionen im Vergleich zur konventionellen Strom- und Wärmegewinnung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der am besten geeignete, nicht-leitungsgebundene regenerative Energieträger für ein stationäres PEM-Brennstoffzellen-BHKW identifiziert und ein ursprünglich auf Erdgas basierendes Gesamtsystem mit diesem Energieträger charakterisiert. Als leicht speicherbare Energieträger kommen dabei Methanol, Ethanol und Dimethylether (DME) sowie Pflanzenöl, Biodiesel und flüssige synthetische Kohlenwasserstoffe in Frage. Aus diesen wurden Methanol, Ethanol und DME vorselektiert und hinsichtlich der Brennstoffherstellung (Well-to-Tank-Wirkungsgrad) und -reformierung sowie der simulierten Gesamtsystemeffizienz und -komplexität bewertet. Bei vergleichbaren Werten in der Brennstoffherstellung sowie in der Systemeffizienz lässt sich dabei die Aussage treffen, dass grundsätzlich alle drei genannten Brennstoffe für ein stationäres PEM-Brennstoffzellen-BHKW geeignet sind. Die geringe Systemkomplexität sowie die einfache Dampfreformierung von DME führten zu dessen Auswahl als dem am besten geeigneten, nicht-leitungsgebundenen regenerativen Energieträger für ein stationäres Brennstoffzellensystem. Anschließend erfolgten die Charakterisierung des Gesamtsystems im DME-Betrieb sowie der Vergleich des Systems im Betrieb mit Erdgas. Erdgas diente dabei als Ersatz für biogenes Erdgassubstitut (SNG), welches stellvertretend für den Einsatz leitungsgebundener regenerativer Energieträger steht.

The utilisation of renewable fuels for fuel cell systems provides a considerable reduction of greenhouse gas emissions compared to conventional power generation. The goal of this thesis was the selection of the most promising renewable, non gas grid-bounded fuel for stationary µ-CHP fuel cell systems, and the characterization of a PEM fuel cell system with the selected fuel. Promising fuel candidates which can easily be stored are methanol, ethanol and dimethyl-ether (DME) as well as vegetable oil, bio-diesel and liquid synthetic hydrocarbon fuels. Within the project, methanol, ethanol and DME were preselected and benchmarked in terms of fuel production potential, fuel reforming aspects as well as FC system efficiency and complexity. In principal each of these fuels is applicable at comparable fuel production and system efficiency values. System complexity and fuel reforming issues led to the selection of DME as the most promising fuel. Then the PEM fuel cell system was operated and characterized with the selected fuel. The results of the DME-operated system were compared to results of the system, operated with natural gas. Natural gas was used as an alternative for Substitute Natural Gas (SNG), which represents the gas grid-bounded renewable fuels.