AGRO-SOFC Sector coupling with SOFC technology in the agro-industry

Um den hohen Energiebedarf der Agrarindustrie zu senken und die Erneuerbaren Energien auszubauen, wird in AGRO-SOFC der Einsatz von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) untersucht, welche die chemische Energie von Brennstoffen direkt in elektrische Energie umwandeln können. SOFCs sind sowohl unter Teil- als auch unter Volllast äußerst effizient und erhöhen die Resilienz von Systemen erheblich. Durch die höhere Systemeffizienz sinken die Lebensmittelkosten. In diesem Projekt wird ein SOFC-System zur Erzeugung von Strom und Wärme in Verbindung mit einem Gewächshaus demonstriert und optimiert.
Das österreichische Konsortium wird in AGRO-SOFC zum einen vor allem an der SOFC/SOEC-Technologie weiterforschen. Diese Technologie wurde erst im Labormaßstab unter Idealbedingungen getestet. Durch die optimale Auslegung der SOFC muss ein sicherer Betrieb unter Realbedingungen gewährleistet werden. Hierzu muss nicht nur die SOFC-Technologie weiterentwickelt werden, auch die Steuerung und das Monitoring dieser neuen Technologie muss optimiert werden.

Ausgangssituation

Etwa 50 bis 60% der Produktionskosten in der Agrarindustrie sind auf den Energie- und Wärmebedarf zurückzuführen. Dieser Sektor ist für mehr als 10% der erzeugten Treibhausgasemissionen weltweit verantwortlich. AGRO-SOFC setzt sich das Ziel, den Energieverbrauch durch Lastverschiebung und Sektorkopplung mittels neuerster Festoxid-Brennstoffzellen-Technologie (SOFC) und intelligenten umfassenden Steuerungsstrategien um mindestens 10% zu senken.
Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung und Demonstration eines hocheffizienten, erneuerbaren und ökologischen Systems, das die Agrarindustrie als „Need Owner“ mit der SOFC-Technologie verbindet, um die oben genannten Herausforderungen zu meistern. Das SOFC-System ermöglicht die Erzeugung von Strom mit einem elektrischen Wirkungsgrad von >65%, wodurch der Energiebedarf reduziert und die Prozesssicherheit gewährleistet wird. Ein solches System kann mit erneuerbarem Wasserstoff und Biogas (in der Agrarindustrie verbreitet) betrieben werden, aber auch mit herkömmlichen Brennstoffen. Bei Verwendung von SOFCs können keine NOx- oder Schwefelemissionen auftreten.
Auch der Endverbraucher, der die Produkte im Supermarkt erwirbt, wird durch die Senkung des Energiebedarfs profitieren, da der Energiebedarf die Kosten der Produkte aus Gewächshäusern erheblich beeinflusst. Dabei darf sich die Lastverschiebung und die Sektorkopplung nicht negativ auf den Betrieb sowie auf den Prozess selbst auswirken (sofern diese Effekte nicht kompensiert werden können).
Bei der Suche nach Möglichkeiten der Sektorkopplung und Energieeffizienzsteigerung werden Betriebs- und Integrationsansätze für die SOFC-Technologie durchgeführt. Darüber hinaus wird die Realisierbarkeit in einer Demonstrationsanlage untersucht. Aus den möglichen Prozesseingriffen in Echtzeit sollen die Auswirkungen unter Berücksichtigung folgender Punkte untersucht werden: (1) Möglichkeiten der Flexibilisierung und Effizienzsteigerung durch die SOFC-Technologie; (2) Selbstversorgung durch erneuerbare Energiequellen; (3) Entspannung des Hoch- und Höchstspannungsnetzes; (4) Empfehlungen für die Erbringung von Nebendienstleistungen; (5) Energiemanagement (Strom, Wärme und Kälte) in Betrieb.
Es ist wichtig zu bestimmen, in welchen Bereichen der Agrarindustrie die Sektorkopplung über die SOFC-Technologie möglich ist, welche Energiequellen für den Betrieb der SOFC am besten geeignet sind, welche Lasten oder Erzeugungsanlagen für die Optimierung zur Verfügung stehen und welche Aspekte die Prozesse beeinflussen (netzwerkgesteuert, prozessgesteuert usw.), welche kritischen (Teil-) Prozesse gibt es und wie lange sind sie verfügbar, welche (Soft-)Sensoren sind im Prozess notwendig und welche Steuerungstechnik ist erforderlich
Obwohl in den Gewächshäusern keine Hochtemperatur-Wärmequelle vorhanden ist, welche für den Betrieb der Brennstoffzelle im SOEC-Modus (Festoxid-Elektrolysezelle) notwendig ist, wird diese Technologie auch im Labormaßstab weiterentwickelt. Die Fähigkeit dieser neuen Technologie, innerhalb weniger Minuten vom SOFC- in den SOEC-Betrieb und umgekehrt zu schalten, kann weitere Flexibilität bieten. Diese Technologie kann die Verbreitung der SOFC-Technologie wesentlich fördern.