BIO-CCHP Advanced biomass CCHP based on gasification, SOFC and cooling machines
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen Trigenerationssystems zur Generierung von Strom, Wärme und Kälte (CCHP) basierend auf Biomassevergasung, eines Festoxid-Brennstoffzellen Stacks und einer Kältemaschine, mit Fokus auf einer hohen Brennstoffflexibilität und Systemeffizienz. Dieser Ansatz birgt ein erhebliches Potential zur Kostenreduktion und bietet eine intelligente Anpassung an den Energiebedarf, indem nachhaltige Kälte für den wachsenden Bedarf bereitgestellt werden kann. Zu diesem Zweck wurden Vergasungssysteme für die Kopplung mit einer SOFC optimiert, wobei die Palette der einsetzbaren Biomasse-Rohstoffe erweitert wurde. Des Weiteren wurde ein Hochtemperatur-Gasreinigungsverfahren entwickelt und mit Tests an verschiedenen Vergasern optimiert. Durch Kopplungsversuche von SOFCs mit verschiedenen Vergasertechnologien, unterstützt durch CFD-Modellierung, wurde die Definition von degradationsarmen Betriebsmodi von SOFC Stacks ermöglicht. Schließlich wurde eine techno-ökonomische Analyse und Optimierung sowie ein Industrialisierungsplan für das BIO-CCHP System erarbeitet, einschließlich alternativer Lösungen für die Integration von Kälte- und Wärmeerzeugung mit der SOFC.
Ausgangssituation
Neben der Erweiterung der Brennstoffpalette für Biomassevergaser war die Optimierung der Vergasungssysteme für die Kopplung mit SOFCs von höchster Bedeutung, um die Technologie am Markt etablieren zu können. Des weiteren waren optimale Betriebsbedingungen der Zellen für verschiedene Produktgaszusammensetzungen, wie sie bei unterschiedlichen Vergasungsmedien (Luft, Dampf etc.) entstehen, noch weitgehend unbekannt. Die Langzeiteffekte verschiedener Gasverunreinigungen (Schwefelkomponenten, Staub, Teere etc.) mussten zudem noch intensiver untersucht werden, um Toleranzbereiche für einen stabilen- und degradationsfreien SOFC Betrieb definieren zu können. Für die Realisierung von Vergaser-SOFC Kopplungen neben der Vermeidung von Kondensat Bildung (Wasser, Teere) mussten Hochtemperatur-Reinigungssysteme optimiert werden. Außerdem gestaltete sich die Bestimmung der Mengen an Verunreinigungen schwierig, weshalb neue Methoden entwickelt werden mussten. Die Integration von Kältemaschinen in Vergaser-SOFC Systemen war noch weitgehend unerforschtes Gebiet.
Projektverlauf
Die Abwicklung des Projektes war in vier Abschnitte unterteilt. In der Anfangsphase des Projektes lag der Fokus auf der Optimierung der Vergasungstechnologie, um die Verwertung günstiger Brennstoffe gewährleisten zu können (z.B. Schadholz, Agrarabfälle). Hierzu wurde der Wechsel von Luft zu H2O/O2 als Vergasungsmedium in einem Gegenstromvergaser untersucht, auch durch CFD Simulationen. In weiterer Folge wurde eine mobile Gasreinigungsstrecke entwickelt und an den Vergasern der Projektpartner getestet. Zeitgleich wurde mit Hilfe von Gasanalysemethoden eine Übersicht über die Gaszusammensetzung der Vergaser erstellt. Unterstützt durch CFD Simulationen und experimentellen Untersuchungen wurden optimale SOFC Betriebsparameter für die charakterisierten Gaszusammensetzungen definiert und Degradationseffekte untersucht. Abschließend wurde eine techno-ökonomische Analyse des Kraft-Wärme-Kälte Systems (CCHP) mit implementierter Kälteerzeugung durchgeführt, um die Wirtschaftlichkeit des Systems abschätzen zu können.
Meilensteine
- Produktgascharakterisierung der Projekt-internen Vergasertypen sowie Entwicklung einer mobilen Gasreinigungsstrecke
- Eruieren alternativer low-cost Biomasse und Erprobung in anschließenden Vergasungstests
- Optimierung eines Gegenstrom-Vergasers mittels experimenteller Versuchskampagnen und CFD Modellierung
- Kopplung von Brennstoffzellen mit Biomassevergasern und Untersuchung der Betriebsstabilität und des Degradationsverhaltens
- Entwicklung und Validierung eines Brennstoffzellenmodels zur Systemoptimierung
- Erstellung von Kältemaschinenmodellen sowie deren Implementierung in eine ASPEN-basierte Gesamtsystemsimulation mit anschließender techno-ökonomischer Untersuchung der erzielbaren Wirkungsgrade und Amortisationszeiten
"Die Verbesserung des Wirkungsgrades von Vergasungs-basierten KWKs ist essentiell, um die Technologie am Markt etablieren zu können. Der Einsatz von Brennstoffzellen als Energiewandler sowie die Erzeugung von Kälte (Bedarf steigend) kann erheblich dazu beitragen. "
– Robert Scharler –
Ergebnisse
Im Laufe des Projektes konnten wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden, um die BIO-CCHP Technologie einen Schritt näher zur Marktreife zu bringen. Ergebnisdetails zu folgenden Punkten können auf der Projekt-Homepage unter https://www.bio-cchp.net/ abgerufen werden. Wesentliche Ergebnisse sind wie folgt:
• Erfolgreiche Optimierung des Gegenstromvergasers
• Umfangreiche Produktgascharakterisierung
• Mobile Gasreinigungsstrecke entwickelt und getestet
• Vergaser-SOFC Kopplungen mit Luft- und Dampfvergaser realisiert und Stabilitäts- sowie Degradationsuntersuchungen durchgeführt
• CFD-Zellmodell mit detaillierter Oberflächenkinetik entwickelt und SOFC Betriebsbedingungen optimiert, unterstützt durch Einzelzellexperimente
• Gesamtsystem mit Kältemaschinen modelliert und Techno-ökonomische Untersuchungen durchgeführt
Dipl.-Ing. Dr. techn. Robert Scharler
Dr. Robert Scharler ist seit 1998 auf dem Gebiet der Modellierung und Simulation der Biomassekonversion tätig: von 1998 bis 2001 Doktorand an der Technischen Universität Graz (TUG); seit 2001 Senior Researcher an der TUG und seit 2015 Professor für Computational Fluid Dynamics am Institut für Wärmetechnik (IWT); 2016 gründete er gemeinsam mit Andrés Anca-Couce die Gruppe „Nachhaltige, saubere und Bioenergiesysteme“ am ITE und ist seither Leiter der Gruppe; seit 2020 ist er Senior Scientist am IWT; seit 2003 Bereichsleiter und seit 2015 wissenschaftlicher Berater für den Bereich „Modellierung und Simulation“ am österreichischen Biomasse-Kompetenzzentrum Bioenergy 2020+ (BE2020+), seit 2018 Key Researcher bei BEST (ehemals BE2020+), seit 2020 ist er Key Researcher des Comet-Moduls „BIO-LOOP – Chemical Looping for efficient biomass utilisation“ Seine Forschungsgebiete sind: Thermochemische Biomassekonversion, CFD-Modellierung, Entwicklung und Optimierung von Biomasse-Verbrennungs-, Vergasungs- und Pyrolyseanlagen mittels CFD-Analyse. Er hat mehr als 100 Zeitschriften- und Konferenzbeiträge im Zusammenhang mit CFD-Modellierung und Anlagenplanung veröffentlicht und hat einen h-Index von 24 nach Google Scholar und 18 nach Scopus.
Steckbrief
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Projektnummer869036
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Koordinator
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ProjektleitungRobert Scharler, robert.scharler@tugraz.at
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Partner
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SchlagwörterBiomassevergasung, Hochtemperaturbrennstoffzellen, Kältemaschinen, Kraft-Wärmekopplung, Systemoptimierung
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FörderprogrammERA-NET Bioenergy
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Budget715.000 €
