Kraft-Wärme-Kopplung-Brennstoffzellensystem für Forschung und Lehre

Entwicklung und Stand der Dinge

  • Abb. 1: Brennstoffzellenstack als Kernkomponenten des SystemsAbb. 1: Brennstoffzellenstack als Kernkomponenten des Systems
  • Abb. 1: Brennstoffzellenstack als Kernkomponenten des Systems
  • Abb. 2: Anschlussplan der Komponenten des Lernsystems.
Die energieeffiziente Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kommt heute überwiegend bei fossil betriebenen Kraftwerken mit Nah- oder Fernwärmeanschluss zum Einsatz. Der Vorrat fossiler Energieträger ist allerdings endlich und die Verbrennung klimabeeinflussend. Außerdem treten Verluste beim oft weiten Transport der Wärme zu den Verbrauchern auf.
 
Eine vielversprechende Alternative stellen dezentrale KWK-Brennstoffzellensysteme für die Versorgung von Wohn- oder Industriegebäuden dar [1]. Sie wandeln Wasserstoff oder Biogas bei hohem Wirkungsgrad emissionsfrei und geräuscharm in Strom und nutzbare Wärme. 
 
Alle Entwicklungen im Bereich der Wasserstofftechnologien erfordern allerdings zunehmend das Vorhandensein gut ausgebildeter Fachkräfte und Experten wie Mechanikern, Technikern und Ingenieuren.
 
Das hier vorgestellte Projekt ist eine Kooperation des Instituts für Nachhaltige Energietechnik und Mobilität der Hochschule Esslingen mit Festo Didactic. In diesem Beitrag wird die Entwicklung eines Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellensystems mit Kraft-Wärme-Kopplung und Netzeinspeisung für die Forschung und Lehre beschrieben. Dieses ermöglicht erstmalig die vollständige Abbildung der Wirkkette von der Wasserstofferzeugung über die Wandlung in Strom und nutzbare Wärme bis hin zur Einspeisung mit Industriekomponenten.
 
Komponenten und technische Realisierung
Der transparente mechanische Aufbau erfolgt auf einem kompakten Rahmengerüst aus Aluprofilen mit den fünf Bereichen für Luft, Wasserstoff, Kühlung, Leistungselektronik sowie Steuerung. 
 
Der Anschlussplan des Prüfstandes mit dem Brennstoffzellenstack (Abb. 1) als Kernkomponente ist in Abbildung 2 dargestellt. Die H2-Seite (Anodenseite) wird entweder über einen Elektrolyseur (mit Metallhydrid-Pufferspeichern) oder über Flaschengas gespeist. Über zwei Druckreduzierstufen wird der Betriebsdruck sichergestellt. Ein vorgeschaltetes NC Magnetventil sperrt die Gaszufuhr, sobald dies aus sicherheitstechnischen Gründen erforderlich wird.

Der Drucksensor dient der Überwachung des Zustandes in der Zufuhrleitung. Auf der Auslassseite der H2-Seite befindet sich als erstes ein NC Magnetventil, das dort als sogenanntes Purge-Ventil (Spülventil) betrieben wird. Das H2-Spülgas wird dabei in den Abluftstrom des Luft/Wasser-Wärmetauschers des Kühlkreises geleitet, wo eine Überwachung der H2-Konzentration über einen entsprechenden Detektor erfolgt.

 
Kathodenseitig wird die Luft über ein geregeltes Gebläse zugeführt und durch einen Feuchtetauscher in den Stack geleitet. Die mit dem Reaktionswasser angereicherte Abluft wird ebenso in den Feuchtetauscher geleitet, um damit die Frischluft anzufeuchten.
 
Der Kühlkreislauf dient der Abführung und Messung der thermischen Leistung des Stacks. Über einen Luft-Wasser-Lamellenwärmetauscher oder alternativ über einen externen Wärmeverbraucher wird das Kühlwasser rückgekühlt. Die Messung der Vor- und Rücklauftemperatur sowie des Volumenstroms ermöglicht die Berechnung und Regelung der Wärmeabführung. Um Kurzschlüsse im Stack zu vermeiden, wird das Kühlwasser über eine Deionisierungsharz-Kartusche deionisiert.
Auf der Stromabgabe-Seite des Stacks wird die elektrische Energie der Brennstoffzelle mittels einer elektronischen Last in das Stromnetz eingespeist. Zusätzlich besteht die Möglichkeit der Hybridisierung mit einer Lithium-Ionen-Batterie über einen DC-DC-Wandler. Diese Leistungselektronik-Komponenten sind Eigenentwicklungen der Firma Hyliontec GmbH Stuttgart, die als Ausgründung von Absolventen der Hochschule Esslingen hervor ging. Die verwendete Lithium-Eisenphosphat- (LiFePO4) Batterie aus Blockzellen mit einem speziellen Batteriemanagementsystem stellt hohe Ausgleichsströme bereit und eignet sich somit für Schnellladungen bis 1 kW.
 
Gängige Ansätze zur Regelung von PEM Brennstoffzellen
Für die Regelung ist es zunächst ausreichend das System PEM-Brennstoffzellenstack als stark vereinfachtes E/A-Modell aufzufassen. Dabei fasst man die einzelnen Zellen zu einer gedachten Zelle zusammen, die mit dem gesamten Sauerstoff- und Wasserstoffstrom versorgt wird. Im praktischen Einsatz befindliche Systeme verwenden meist einen Kompressor, der Umgebungsluft ansaugt und somit die Brennstoffzelle mit dem erforderlichen Massenstrom an Sauerstoff versorgt. Die Wasserstoffversorgung wird aus einem Hochdruckspeicher mit nachfolgender Druckregelung realisiert, dabei wird der Anodenausgang als geschlossen angenommen (sog. „Dead End“-Betrieb).
 
Somit sind für den Betrieb der Brennstoffzelle zwei Basisregelungsaufgaben zu erfüllen: Die Regulierung des Wasserstoffdruckes auf der Anodenseite und die Versorgung der Kathode mit dem erforderlichen Sauerstoffmassenstrom (aus der Umgebungsluft) um die stöchiometrische Reaktion aufrechtzuerhalten.
Für die eigentliche Reglerauslegung werden sowohl gängige Methoden auf Basis der Linearisierung des Modells, als auch neuere Entwicklungen wie z. B. Nichtlineare Modellprädiktive Regelung („NMPC“) verwendet. Ein guter Einstieg in die Thematik wird beispielsweise von [2 – 5] gegeben.
 
Neben den genannten Basisaufgaben ist noch eine Vielzahl von sicherheits- und lebensdauerrelevanten Funktionen wahrzunehmen. Zu den wichtigsten zählen die Überwachung der individuellen Zellspannung, das Ausspülen von sich im Betrieb ansammelnden Verunreinigungen auf der Anodenseite („Purging“), Leckagedetektion und die Überwachung der Betriebsparameter (Wasserstoffdruck, etc.).
 
Didaktisches Konzept
Die Entwicklung des beschriebenen Lernsystems verfolgt das Ziel, den Themenkomplex der Energieversorgung mit Wasserstofftechnologien für unterschiedliche Qualifizierungsziele zugänglich zu machen.
 
Auf Grundlagenebene werden die Energiewandlungsschritte thematisiert und die Charakterisierung der Brennstoffzelle durchgeführt. Weiterführende Fragestellungen beschäftigen sich mit den Einflussfaktoren auf die Energiewandlung wie Gasdruck, Zellspannungen und Temperatur sowie mit der energetischen Bilanzierung und Netzeinspeisung. Die Integration in ein Energienetz mit weiteren Erzeugern und Verbrauchern zeigt schließlich sowohl die Vorteile und Möglichkeiten als auch die Problemstellungen künftiger Smart Grids auf.
 
Daneben können praktische Aspekte wie der Einsatz geeigneter Komponenten in Wasserstoffsystemen, industrielle Steuerungstechnik sowie die Wärmeentwicklung und Sicherheitseinrichtungen anschaulich demonstriert werden.
 
Abgrenzung zu alternativen Lernsystemen
Eine wesentliche Neuerung gegenüber gängigen Brennstoffzellen-Lernsystemen ist die explizite Betrachtung der Wärme über das Kühlmedium Wasser. Sowohl qualitativ als auch quantitativ ist erst dadurch die vollständige energetische Bilanzierung eines Brennstoffzellensystems möglich. Gleichzeitig werden Lernende dadurch für die Themen Kraft-Wärme-Kopplung und Abwärmerückgewinnung sensibilisiert und zur Übertragung auf andere technische Systeme motiviert. 
 
Die zweite Neuerung besteht in der Möglichkeit der Integration des Lernsystems in ein modellhaftes Energienetz, das aus weiteren Modulen wie erneuerbaren Energiequellen, Speichern und typischen industriellen Verbrauchern bestehen kann. Damit kann beispielsweise ein energieautarker Industriebetrieb modelliert und dessen Versorgungssicherheit, Gesamteffizienz sowie  Energiekosten betrachtet und optimiert werden.
 
Interdisziplinäres Lernen
Das Lernsystem ermöglicht durch das Zusammenspiel von Elektrik, Chemie, Steuerungs- und Regelungstechnik das interdisziplinäre Lernen. Dadurch lassen sich Laborübungen mit unterschiedlichem Fokus aus dem Bereich der Natur- und Ingenieurwissenschaften sinnvoll kombinieren. Damit eignet es sich auch als Plattform für Projekt- und Forschungsarbeiten. An der Hochschule Esslingen entstanden in studentischen Arbeiten beispielsweise alternative Mikrocontroller-basierte Steuerungen sowie die Integration in ein bestehendes Visualisierungssystem.
 
Zusammenfassung und Ausblick
Aufgrund der besonderen Vorzüge des Energieträgers Wasserstoff kann davon ausgegangen werden, dass auf lange Sicht mobile und stationäre Wasserstoff-Anwendungen eine größere Verbreitung finden werden. Deutschland soll zum Leitmarkt für eine nachhaltige Mobilität und Energieversorgung werden. Über das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie (NIP) wird die Marktvorbereitung von Produkten und Anwendungen, die auf Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie basieren, forciert [6].
 
Das vorgestellte Lernsystem stellt einen Baustein zur Verbesserung der Lehre und zum weiteren Erforschen von Brennstoffzellen und wasserstoffbasierten stationären Energiesystemen dar.
 
Autoren
Stefan Kapp1, Waldemar Schneider 2, Thomas Tuffentsammer 2, Martin Ziegler 3, Walter Theodor Czarnetzki 2
1Festo Didactic SE, Denkendorf
2Hochschule Esslingen, Esslingen
3HyLionTec GmbH, Stuttgart
 
Literatur
[1] M. Edel, Callux: Praxistest Brennsoffzelle für’s Eigenheim - Wegbereiter zum Markt, Abstatt: Gesamttreffen des Clusters Brennstoffzelle BW, 2015.

[2] M. Grujicic, K. M. Chittajallu, E. H. Law, J. T. Pukrushpan: Model-based control strategies in the dynamic interaction of air supply and fuel cell, Journal of Power and Energy, 1-13, 2003.
[3] J. Golbert, D. R. Lewin: Fuel efficient model predictive control of PEM fuel cells, Haifa 32000, Israel: PSE Research Group, Wolfson Department of Chemical Engineering, Technion I. I. T., 2005.
[4] C. Ziogoua, S. Papadopouloua, M. C. Georgiadisa, S. Voutetakis: On-line nonlinear model predictive control of a PEM fuel cell system, Journal of Process Control, pp. 483 – 492, 2013.
[5] A. Vahidi, A. Stefanopoulou, H. Peng, A. Arbor: Model Predictive Control for Starvation Prevention in a Hybrid Fuel Cell System, Boston, Massachusetts, 2004.
[6] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, Webauftritt, zuletzt aufgesucht am 04.11.15.

Kontakt
Waldemar Schneider
Institut für nachhaltige 
Energietechnik und Mobilität
Esslingen, Deutschland
 
Weitere Beiträge zum Thema: http://www.git-labor.de/

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