Funktionsprinzip, Eigenschaften, Anwendung und
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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
