Simulation und Regelung eines Brennstoffzelle-Gasturbine-Hybridkraftwerks

Abstract

Die Festoxidbrennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) ist eine vielversprechende Technologie für die zukünftige Energieerzeugung. Dieser spezielle Typus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle besitzt diesen Stellenwert aufgrund seines hohen (elektrischen) Wirkungsgrades und seiner geringen Abgasemissionen. Durch die Integration der SOFC in den Gasturbinenprozess lässt sich der Wirkungsgrad nochmals steigern, da die Abwärme der SOFC zur Einsparung von Treibstoff in der Gasturbinen-Brennkammer genutzt wird. Die tatsächliche Wirkungsgradsteigerung hängt von der Integrationsart ab; in erster Linie davon, ob die SOFC unter Druck oder atmosphärisch betrieben wird. Die Optimierung des stationären Auslegungspunktes und dessen Wirkungsgrads, resultiert bisweilen in hoch komplexen Anlagenschemata für ein derartiges Hybridkraftwerk. Aber selbst eine einfache Kopplungsvariante der Hauptkomponenten Gasturbine und Brennstoffzelle führte in der Praxis bereits während der Testphase zu erheblichen Problemen. Somit ist für diesen Kraftwerkstyp ein schlüssiges Betriebs- und Regelungskonzept erforderlich, das alle wesentlichen stationären und instationären Wechselwirkungen und Randbedingungen berücksichtigt. Um die Realisierbarkeit eines solchen Konzeptes in kommerziell nutzbaren Anlagen nachzuweisen, sind einige Zwischenschritte notwendig. Vor dem Aufbau eines Testkraftwerks, mit dem Langzeitstudien erfolgreich zu absolvieren sind, liegt die Optimierung der Hauptkomponenten Gasturbine, Brennstoffzelle und Systemregelung im Hinblick auf deren Kopplung. Hierzu ist wiederum ein dauerhaft gekoppelter Betrieb erfolgreich in die Realität umzusetzen. Dieser Schritt erfordert umfassende theoretische Vorarbeiten von der detaillierten mathematischen Beschreibung elektro-chemischer Vorgänge innerhalb des elektrisch aktiven Teils einer SOFC, bis hin zu dynamischen Simulationen eines Gesamtsystemmodells. Eine derartiges Modell muss neben den drei bereits genannten Hauptkomponenten auch die zur Realisierung benötigten Kopplungselemente wie die Verrohrung und zusätzliche Ventile umfassen. Anhand von Simualtionsergebnissen eines solchen Systemmodells wird eine Bewertung und Optimierung verschiedener Betriebskonzepte und Schaltungsvarianten möglich. Die vorliegende Arbeit stellt ein umfassendes, einheitliches Konzept der nichtlinearen, dynamischen Modellierung aller für die Erstellung eines Gesamtsystemmodells benötigten Komponenten vor. Alle Modelle der einzelnen Komponenten sind dabei entweder direkt an Messdaten validiert, oder anhand von höherwertigen Modellen verifiziert worden. Das ausgearbeitete Regelungskonzept wird vorgestellt und anhand von Simulationen typischer Manöver eines Hybridkraftwerkes verifiziert. Die Einhaltung vorgegebener Randbedingungen, in erster Linie von Eintritts- und Austrittstemperatur der SOFC und der Drehzahl der Gasturbine, fließt mit in die Bewertung des Betriebs- und Regelungskonzeptes ein. Zusätzlich stellen die Simulationsergebnisse eine wichtige Ausgangsbasis für den im Rahmen des Forschungsprojektes geplanten Betrieb einer Mikrogasturbine mit einem SOFC-Simulator dar. Ein derartiger Simulator ermöglicht die Emulation des thermischen und strömungstechnischen Verhaltens einer realen SOFC, ist jedoch deutlich kostengünstiger. Die notwendigen Modellerweiterungen im Hinblick auf diese Hardwarerealisierung werden ebenfalls in den vorliegenden Ausführungen beschrieben.

One promising future power-generation concept is the hybrid power-plant, consisting of a gas-turbine and a solid oxide fuel cell (SOFC). This concept promises a high efficiency in long term range. The special type of fuel cell itself, the SOFC, has an already quite good electrical efficiency and low emissions in a stand-alone power-plant concept. But an additional increase in the efficiency can be achieved with the integration of a SOFC in a gas-turbine cycle. Using such integrations, the wasted heat of the SOFC can be used to save fuel in the combustor of the gas-turbine. The potential of the increase in efficiency depends on the way of integrating the fuel cell into the cycle, namely if the SOFC is operated under atmospheric or pressurized conditions. The optimization of the steady-state operating point of such a hybrid cycle, results in some cases in a very complicated cycle layout. Former experiments have shown that there is no adequate operational concept for a daily usage, even for a layout that is assumed to be easy, consisting only of a minimum additional plant components. An important result of these experiments was, that such a hybrid power plant needs to have an coherent operational concept. It requires a control system that is able to cover the most dominating, critical effects and limits in steady-state, as well as during transient maneuvers. To prove the adequacy of the concept and the control system in the daily usage, a stepwise approach is necessary. Before a test power plant can be raised up to do long-term studies, an optimization of the main components gas-turbine, SOFC and the control system for the coupled process has to be realized. A necessary pre-condition of this, is the successful demonstration of a completely, not only temporarily integration of a SOFC in the gas-turbine cycle. For the realization of this step, different theoretical analysis had to be done, going in deep model detail: from the set-up of a detailed mathematical model, which describes the electro-chemistry in a SOFC, to a dynamic simulation of a complete system model. Such a system model has to include the three main components, but also the elements for the coupling hardware like the piping and additional valves. The simulation results of such a complete model of the hybrid power plant enable an estimation and optimization of different cycle layouts and operational concepts. In this dissertation, a complete, consistent system model, based on the description of the nonlinear dynamic performance of each sub-component is presented. For each model of the gas-turbine, the SOFC or the additional needed components, a validation against measured data, or at least the verification against a more detailed model has been done. The developed control strategy is verified on the basis of the simulation of typical power plant maneuvers. The compliance of several boundary conditions, primarily limitations of the SOFC temperature and the shaft speed of the gas-turbine, are included in the estimation of the operational concept and the control strategy. Furthermore, these simulations are necessary for the next steps in the research project, namely the coupling of a gas-turbine and a SOFC simulator. Such a SOFC simulator is able to emulate the thermal behavior of a real SOFC, as well as the delay times of the mass-flow, for a significant lower budget compared to a real SOFC. The description of the necessary system model extensions to cover the planned hardware realization, are also part of the dissertation.