Funktionsprinzip, Eigenschaften, Anwendung und

TU Dresden
Institut für Thermodynamik und TGA
01062 Dresden
Dr.- Ing. Andreas Gassel
Tel. 0351/4633423
Fax: 0351/4637105
mail: [email protected]
Funktionsprinzip, Eigenschaften,
Anwendung und Betriebserfahrungen
www.malteser-krankenhaus-kamenz.de ; www.adsorber.de
1. Brennstoffzellen
2. Adsorptionskältemaschinen
3. Projekt Kamenz
Energiedienstleistungen
Kohle, Gas,
Uran
Kraftwerk
- Kraft
Strom
(36 %)
Verlust
Kessel
- Kälte
- Licht
Gas, Öl,
Kohle, Holz
- Wärme
- Information
(64 %)
Gegenwärtige Hauptstruktur der Energieversorgung
Verlust
(15 %)
- Kraft
Strom
- Licht
BHKW
(35 %)
- Information
- Kälte
SKM
- Wärme
(50 %)
Alternative 1: Kraft-Wärme-(Kälte)-Kopplung
Gas, Öl,
Kohle, Holz
Gas,
Kohle
SuperKraftwerk
- Kraft
Strom
S
(75 %)
Verlust
Wärmepumpe
- Kälte
- Licht
- Wärme
- Information
(25 %)
Alternative 2: Das „Super-Kraftwerk“
Umgebungs
wärme
Historie
Brennkammer
Brennstoff
Wärmekraftprozess
Mechanische
h
Energie
Wärme hoher
Temperatur
Wärme niedriger
Temperatur
Wärme
Brennstoffzelle
Brennstoff
ff
Generator
Strom
Stromerzeugung im Vergleich
Strom
Brennkammer
Brennstoff
Wärmekraftprozess
Mechanische
h
Energie
Wärme hoher
Temperatur
Wärme niedriger
Temperatur
Wärme
Brennstoffzelle
Brennstoff
ff
Generator
Strom
Stromerzeugung im Vergleich
Strom
tzu − tab
η max =
tzu + 273°C
Max. Wirkungsgrad in %
100
Wärmeabfuhr bei 30 °C (DaKrW)
80
60
Wärmeabfuhr bei
400 °C (Motor)
40
20
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Temperaturniveau Wärmezufuhr [°C]
Maximal möglicher Wirkungsgrad
a) Hohe Temperatur Wärmezufuhr: b) Geringe Temperatur Wärmeabfuhr:
- Brennstoff: kein Problem
- Dampf-KW: sehr gut (30 °C)
- Arbeitsstoff:
- Dampf-KWK: gut (70 .. 200 °C)
- Heissdampf (Kohle-KW): bis 650 °C
- GT und Motoren: schlecht (300 .. 600 °C)
- Sattdampf (Atom-KW): bis 300 °C
- Luft (GT, Motor):
unbegrenzt
- Material: 1200 °C
tzu −tzutab− tab
η max
= =
∗g
tzu +tzu273
°C °C
+ 273
c) Hoher Gütegrad (g):
- Dampf-gross: sehr gut (0,7 .. 0,85)
- Dampf-klein: schlecht (0,55 .. 0,75)
- GT und typ. Motoren: schlecht (0,45 .. 0,7)
- Stirlingmotor: sehr gut (bis 0,9)
Wege zum hohen Wirkungsgrad
Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle
tzu − tab
η=
∗g
tzu + 273°C
1. Keine reale Temperatur der Wärmezufuhr:
=> kein temperaturbedingtes Werkstoffproblem
=> keine Schadstoffe ausser CO2
2. Scheinbare Temp. der Wärmezufuhr hoch:
=> gute Voraussetzung für hohe Effizienz
aber: Gütegrad schlecht oder Temp. Wärmeabfuhr hoch
3. Keine bewegten Teile:
=> leise
=> potenziell zuverlässig
Die Brennstoffzelle aus thermodyn. Sicht
Verluste in einer Brennstoffzelle
Name
Elektrolyt Temp. Brennstoff Güteg. Wirkg-g. Bemerkung
°C
AFC
%
%
Kalilauge
65
H2
Problem: CO2
Nur Raumfahrt
PEMFC Membran
80
H2
55
55
Problem: CO
Gute Aussicht
Einziges
Serienprodukt
PAFC
Phosphor- 200
säure
H2
55
50
MCFC
Schmelzkarbonat
650
H2, CO
80
55
SOFC
Festoxyd
(ZrO2)
1000
H2, CO
85
55
Arten von Brennstoffzellen
Temp. in °C
2500
BZ
Güte: 0
Güte: 0
BZ
BZ
Güte: 0,85
Güte: 0,85
1000
GT
Güte: 0,6
400
Güte: 0,55
Güte: 0,6
Güte: 0
GT
Dampf
Dampf
Güte: 0,75
Güte: 0,75
30
Kohle-KW
49 %
GuD
61 %
NT-BZ
48 %
HT-BZ
46 %
BZ-GT
66 %
Übersicht Stromerzeugung aus Brennstoff
Abgas
Wärmeübertrager
Erdgas
Reformer
Dampf, Restgas
Restgas,
Abluft
Nutzwärme
Strom
H2-reiches
ZellWechselGas
=
stapel
richter
Luft
Luft
Aufbau einer erdgasbetriebenen Brennstoffzelle
~
Temperatur
Brenner
Reformer
650 °C
100 °C
PAFC
PEMFC
Verdampferr
Wärmeströme in einer BZ-Anlage
SOFC/
MCFC
Einordnung von Brennstoffzellen
Elt. Lstg.:
200 kW
Th. Lstg.:
220 kW
(30/110°C)
Elt. Wirk.-grad: 40 %
Preis:
PAFC ONSI
900000 USD
Elt. Lstg.:
250 kW
Th. Lstg.:
180 kW
(> 100°C ?)
Elt. Wirk.-grad: 47 %
Preis:
MCFC MTU
5 Mill. DM
Elt. Lstg.:
1 kW
Th. Lstg.:
3 kW
(> 100 °C ?)
Elt. Wirk.-grad: 25 %
Preis:
100000 DM
SOFC Sulzer
PEMFC von Vaillant
ühoher Wirkungsgrad ûeingeschränkte
Lebensdauer
ügutes Teillastverhalten
ümodulare Bauweise
ügeringe Schadstoffemissionen
ügeringe Schallemissionen
ûzu hohe Kosten
ûEntwicklungsstand
Vor- und Nachteile einer Brennstoffzelle