Die Komponente Brennstoffzelle
Die Komponente Brennstoffzelle modelliert die Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie durch den direkten Einsatz eines Brennstoffs.
Komponentenvorlage
Die Komponentenvorlage Brennstoffzelle.e-ctpl befindet sich im Komponentenvorlagen-Ordner Erneuerbare Energieträger.
Einbindung in ein Schema
Funktionsweise
Die Komponente Brennstoffzelle bildet die Stromerzeugung aus Brennstoff (Wasserstoff oder Methan aus Erdgas oder Biogas) ab. Durch diesen elektrochemischen Prozess wird primär Strom erzeugt, als Nebeneffekt entsteht Wärme, die genutzt werden kann.
Der benötigte Brennstoff kann aus verschiedenen Quellen geliefert werden, vor allem bietet sich die Verwendung der Brennstoffzelle in Kombination mit einer Power-to-Gas-Anlage und einem Brennstoffspeicher an. Das Tutorial 26 demonstriert diese Konstellation in seiner zweiten Variante.
Eingabedaten
Für die Eingabedaten gelten die Informationen zu Energiewandlern allgemein. Um die Komponente in ihrer Größe zu optimieren, aktivieren Sie im Komponenten-Ribbon die Strukturoptimierung.
Modellierung mit externer Abwärme
Die externe Wärmenutzung der Brennstoffzelle ist im TOP-Energy-Modell optional. Um sie zu aktivieren, setzen Sie in den Technischen Eingabedaten einen Haken hinter Modellierung mit externer Abwärme (siehe folgende Abbildung).
Dann werden im Schema an der Komponente Brennstoffzelle die blauen Stoffmodellpins eingeblendet, an die Sie den Wärmebedarf anschließen (siehe folgende Abbildung).
Gewinnung von Brennstoff aus dem Abgasstrom
In der Brennstoffzelle wird nicht immer der gesamte Brennstoff umgesetzt. Der nicht umgesetzte Brennstoff kann an weitere Komponenten, z. B. eine Gasturbine, weitergegeben werden. Um den nicht umgesetzten Brennstoff weiter zu berücksichtigen, aktivieren Sie im Formular Technische Eingabedaten die weitere Verwendung des Abgasstroms mit einem Häkchen (siehe folgende Abbildung).
Dann wird der zusätzliche Eingabeparameter Brennstoffausnutzung eingeblendet (siehe vorherige Abbildung), und im Schema erscheint an der Brennstoffzelle ein Brennstoff-Austrittspin (siehe folgende Abbildung).
Brennstoffausnutzung ist der Anteil des konsumierten Brennstoffs an dem gesamten eintretenden Brennstoff, der normalerweise in Prozent (%) angegeben wird.
\( \begin{equation} \begin{aligned}Brennstoffausnutzung= \frac{Brennstoff_{Konsum}}{Brennstoff_{Eintritt}} \end{aligned}\end{equation}\).
Eine Brennstoffzelle mit 100 kW der Brennstoffnennleistung, 80 % Brennstoffausnutzung und 50 kW elektrischer Nennleistung gibt im Nennbetrieb 50 kW elektrische Leistung ab und stellt 20 kW Energie für die weitere Nutzung durch andere Komponenten zur Verfügung.
Modellierung mit dem erweiterten Stoffmodell Brennstoff (mit Zusammensetzung)
Wenn Sie im Simulationsribbon für das Stoffmodell Brennstoff Mit Zusammensetzung ausgewählt haben, verwenden Sie für die Mischung von Brennstoffströmen die Komponente Brennstoffmischer und geben dort in den Technischen Eingabedaten die Elementarzusammensetzung vor.
Wenn Sie im Simulationsribbon das Stoffmodell Mit Zusammensetzung und in den Technischen Eingabedaten der Brennstoffzelle das Auswahlfeld Weitere Verwendung des Abgasstroms aktiviert haben, müssen Sie zusätzlich den Brennstoffzellentyp auswählen: SOFC (Festoxidbrennstoffzelle, eng.: solid oxide fuel cell) oder PEFC (Polymerelektrolytbrennstoffzelle, eng.: polymer electrolyte fuel cell).
Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle kann nur Wasserstoff, die Festoxidbrennstoffzelle dagegen sowohl Wasserstoff als auch Methan verwerten. Die Umwandlung der chemischen Energie des kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und Oxidationsmittels in elektrische Energie findet bei einer Temperatur von 500 °C bis 1000 °C statt. Während des Prozesses wird Wärme freigesetzt und Wasser produziert. Mit der Wärme kann Methan zu Wasserstoff, der dann in der Festoxidbrennstoffzelle eingesetzt wird, reformiert werden.
Beim Modellieren mit der Festoxidbrennstoffzelle erscheint ein weiteres Parameterfeld in den Technischen Eingabedaten: der Wirkungsgrad der Reformierung.
Der in % angegebene Parameter Wirkungsgrad der Reformierung ist der Anteil des reformierten Methans an dem eintretenden Methan.
Wirtschaftliche Daten
Neben den betriebsgebundenen Kosten und evt. Reinvestitionskosten werden bei der wirtschaftlichen Auswertung die kapitalgebundenen Kosten (Investitionskosten) und die speziellen Kosten und Erlöse der Brennstoffzellenanlage berücksichtigt.
Die folgende Tabelle zeigt die Investitionskosten, ermittelt auf der Basis von Daten des Publications Office of the European Union (Grosse, R., Christopher, B., Stefan, W., Geyer, R., Robbi, S., Long term (2050) projections of techno-economic performance of large-scale heating and cooling in the EU, EUR28859, Luxembourg 2017) und der Danish Energy Agency (Technology Data–Generation of Electricity and District Heating, 2022).
| Anlagengröße (kW) | Investitionskosten für PEFC (EUR) | Investitionskosten für SOFC (EUR) |
|---|---|---|
| 100 | 500.000 | 4.150.000 |
| 1.000 | 5.000.000 | 41.500.000 |
Ökobilanzierung von CO2 und Primärenergie
Der Artikel Funktionsweise der Ökobilanzierung beschreibt, wie die Einsparung von CO2 und Primärenergie bilanziert wird. Orientieren Sie sich an den Beispielen zur Verwendung einer Power-to-Gas-Komponente.
