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Biogas-fired Combined Hybrid Heat and Power Plant (Bio-HyPP)

Das Projekt "Biogas-fired Combined Hybrid Heat and Power Plant (Bio-HyPP)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) durchgeführt. To reach the goals of improving the efficiency of CHP systems while simultaneously widening the biomass feedstock base as well as increasing operational flexibility, the project aims to develop a full scale technology demonstrator of a hybrid power plant using biogas as main fuel in lab environment. A combined hybrid heat and power plant combines a micro gas turbine (MGT) and a solid oxide fuel cell (SOFC). The focus of the technology demonstration plant is to prove the functional capability of the plant concept, followed by detailed characterization and optimization of the integration of both subsystems. The main objective is to move the technology beyond the state of the art to TRL 4. Electrical efficiencies of more than 60% and total thermal efficiencies of more than 90% are intended to reach at base load conditions. An operational flexibility ranging from 25% to 100% electric power should be achieved. The emission levels should not exceed 10 ppm NOx and 20 ppm CO (at 15% vol. residual oxygen). The system should allow the use of biogas with methane contents varying from 40-75%, thus covering the biogas qualities from the fermentation of the entire biomass feedstock range. To achieve the objectives the subsystems MGT and SOFC including their subcomponents have to be adjusted and optimized by a multidisciplinary design approach using numerical and experimental measures to ensure a proper balance of plant. In addition an integrated control system has to be developed and implemented to achieve a reliable operation of the coupled subsystems. A detailed analysis of different European markets, economic and technical constraints in terms of biogas production potentials will clarify the regional suitable sizes and attractive performance conditions of the power plant system. To identify cost reduction potentials a thermo-economic analysis will be performed. Here, an internal rate of return (IRR) of the system of higher than 15% should be achieved over a 20 years.

Teil 2

Das Projekt "Teil 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH in der Helmholtz-Gemeinschaft, Institut für Technische Chemie durchgeführt. Das Ziel dieses Projektes war es, den Nachweis zu erbringen, dass hydrothermale Vergasung und SOFC zur Stromerzeugung sinnvoll und effektiv gekoppelt werden können. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Identifikation von Gaszusammensetzungen und Betriebsbedingungen, unter denen ein stabiler Betrieb der SOFC möglich ist. Deshalb wurden SOFC-Einzelzellen mit den am KIT Campus Nord über hydrothermale Vergasung hergestellten Brenngasen (im Nachfolgenden als Biogas bezeichnet) betrieben. Die Leistungsfähigkeit und die Stabilität der SOFC wurden in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung und der Betriebsparameter der Zelle ermittelt. Im Laufe des Projektes hat sich herausgestellt, dass zwar hohe Leistungsdichten (1.26W/cm2 bei T=793 C und S/C=4) erreicht werden können, jedoch ein kohlenstofffreier Betrieb unter typischen SOFC Betriebsbedingungen nicht möglich ist. Versuche, die Gasqualität anlagenseitig zu erhöhen, sprich die Kohlenstoffketten in Richtung C1Komponenten zu verschieben, wurden nicht unternommen weil nicht von technischer Relevanz. Aus diesem Grund wurde der Schwerpunkt der Untersuchungen auf die Kohlenstoffbildung gelegt. Durch systematische Untersuchungen mit unterschiedlichen Modellgasen konnte der Einfluss einzelner Kohlenwasserstoffkomponenten auf die Kohlenstoffbildung ermittelt werden. Parallel zu diesen Untersuchungen wurden SOFC - Einzelzellen mittels Impedanzspektroskopie und Strom/Spannungs-Kennlinien elektrochemisch charakterisiert. Eine hochauflösende Messdatenauswertung ermöglichte eine eindeutige Identifizierung aller zum Gesamtwiderstand der Einzelzelle beitragenden Verlustprozesse. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein eindimensionales stationäres Modell zur Vorhersage des Strom/Spannungsverhaltens von planaren anodengestützten SOFC Einzelzellen entwickelt. Die Simulationsresultate zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten. Durch die gerechtfertigte Annahme, dass die Elektrooxidation der Brenngase ausschließlich über den Wasserstoffpfad abläuft, ist das Modell in der Lage, bei bekannter lokaler Gaszusammensetzung, das Stromspannungsverhalten der Zelle im Biogasbetrieb sehr gut wiederzugeben. Das entwickelte elektrochemische Modell kann zukünftig ohne weiteres in ein Gesamtmodell, welches dann auch die heterogene Katalyse von kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen beinhaltet, integriert werden.

Teil 1

Das Projekt "Teil 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe (TH), Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik durchgeführt. Das Ziel dieses Projektes war es, den Nachweis zu erbringen, dass hydrothermale Vergasung und SOFC zur Stromerzeugung sinnvoll und effektiv gekoppelt werden können. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Identifikation von Gaszusammensetzungen und Betriebsbedingungen, unter denen ein stabiler Betrieb der SOFC möglich ist. Deshalb wurden SOFC-Einzelzellen mit den am KIT Campus Nord über hydrothermale Vergasung hergestellten Brenngasen (im Nachfolgenden als Biogas bezeichnet) betrieben. Die Leistungsfähigkeit und die Stabilität der SOFC wurden in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung und der Betriebsparameter der Zelle ermittelt. Im Laufe des Projektes hat sich herausgestellt, dass zwar hohe Leistungsdichten (1.26W/cm2 bei T=793 C und S/C=4) erreicht werden können, jedoch ein kohlenstofffreier Betrieb unter typischen SOFC Betriebsbedingungen nicht möglich ist. Versuche, die Gasqualität anlagenseitig zu erhöhen, sprich die Kohlenstoffketten in Richtung C1Komponenten zu verschieben, wurden nicht unternommen weil nicht von technischer Relevanz. Aus diesem Grund wurde der Schwerpunkt der Untersuchungen auf die Kohlenstoffbildung gelegt. Durch systematische Untersuchungen mit unterschiedlichen Modellgasen konnte der Einfluss einzelner Kohlenwasserstoffkomponenten auf die Kohlenstoffbildung ermittelt werden. Parallel zu diesen Untersuchungen wurden SOFC - Einzelzellen mittels Impedanzspektroskopie und Strom/Spannungs-Kennlinien elektrochemisch charakterisiert. Eine hochauflösende Messdatenauswertung ermöglichte eine eindeutige Identifizierung aller zum Gesamtwiderstand der Einzelzelle beitragenden Verlustprozesse. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein eindimensionales stationäres Modell zur Vorhersage des Strom/Spannungsverhaltens von planaren anodengestützten SOFC Einzelzellen entwickelt. Die Simulationsresultate zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten. Durch die gerechtfertigte Annahme, dass die Elektrooxidation der Brenngase ausschließlich über den Wasserstoffpfad abläuft, ist das Modell in der Lage, bei bekannter lokaler Gaszusammensetzung, das Stromspannungsverhalten der Zelle im Biogasbetrieb sehr gut wiederzugeben. Das entwickelte elektrochemische Modell kann zukünftig ohne weiteres in ein Gesamtmodell, welches dann auch die heterogene Katalyse von kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen beinhaltet, integriert werden.

Teil 4

Das Projekt "Teil 4" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik durchgeführt. Im Berichtszeitraum wurden im Projekt Res2CNG große Fortschritte erzielt. Arbeitspakete zu grundlegenden Fragestellungen wie Biomassevergasung und -bereitstellung sowie die Zusammenstellung von Literatur zur Hochtemperaturelektrolyse wurden abgeschlossen. Thermodynamische Berechnungen zur Methanisierung legten die Basis zur Auswahl verschiedener Methanisierungskonzepte. Erste Abschätzungen zur Gasreinigung bilden die Grundlage für eine optimale Wärmeintegration. Im Rahmen des gesamten Konsortiums wurden fünf Prozessketten festgelegt, die mittels Pinch-Analyse verglichen werden. Die CNG- und LNG-Kette werden detailliert betrachtet und jeweils ein realisierbares Wärmemanagement erarbeitet. Die Ergebnisse der umfangreichen Bottom-up-Analyse der SOEC-Technologie fließen in die Technologiesteckbriefe ein, die als Grundlage für die techno-ökonomische Analyse ausgearbeitet werden.

Teil 1

Das Projekt "Teil 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durchgeführt. Im Berichtszeitraum wurden im Projekt Res2CNG große Fortschritte erzielt. Arbeitspakete zu grundlegenden Fragestellungen wie Biomassevergasung und -bereitstellung sowie die Zusammenstellung von Literatur zur Hochtemperaturelektrolyse wurden abgeschlossen. Thermodynamische Berechnungen zur Methanisierung legten die Basis zur Auswahl verschiedener Methanisierungskonzepte. Erste Abschätzungen zur Gasreinigung bilden die Grundlage für eine optimale Wärmeintegration. Im Rahmen des gesamten Konsortiums wurden fünf Prozessketten festgelegt, die mittels Pinch-Analyse verglichen werden. Die CNG- und LNG-Kette werden detailliert betrachtet und jeweils ein realisierbares Wärmemanagement erarbeitet. Die Ergebnisse der umfangreichen Bottom-up-Analyse der SOEC-Technologie fließen in die Technologiesteckbriefe ein, die als Grundlage für die techno-ökonomische Analyse ausgearbeitet werden.

Teil 2

Das Projekt "Teil 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), European Institute for Energy Research EIfER durchgeführt. Im Berichtszeitraum wurden im Projekt Res2CNG große Fortschritte erzielt. Arbeitspakete zu grundlegenden Fragestellungen wie Biomassevergasung und -bereitstellung sowie die Zusammenstellung von Literatur zur Hochtemperaturelektrolyse wurden abgeschlossen. Thermodynamische Berechnungen zur Methanisierung legten die Basis zur Auswahl verschiedener Methanisierungskonzepte. Erste Abschätzungen zur Gasreinigung bilden die Grundlage für eine optimale Wärmeintegration. Im Rahmen des gesamten Konsortiums wurden fünf Prozessketten festgelegt, die mittels Pinch-Analyse verglichen werden. Die CNG- und LNG-Kette werden detailliert betrachtet und jeweils ein realisierbares Wärmemanagement erarbeitet. Die Ergebnisse der umfangreichen Bottom-up-Analyse der SOEC-Technologie fließen in die Technologiesteckbriefe ein, die als Grundlage für die techno-ökonomische Analyse ausgearbeitet werden.

Teil 3

Das Projekt "Teil 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung durchgeführt. Im Berichtszeitraum wurden im Projekt Res2CNG große Fortschritte erzielt. Arbeitspakete zu grundlegenden Fragestellungen wie Biomassevergasung und -bereitstellung sowie die Zusammenstellung von Literatur zur Hochtemperaturelektrolyse wurden abgeschlossen. Thermodynamische Berechnungen zur Methanisierung legten die Basis zur Auswahl verschiedener Methanisierungskonzepte. Erste Abschätzungen zur Gasreinigung bilden die Grundlage für eine optimale Wärmeintegration. Im Rahmen des gesamten Konsortiums wurden fünf Prozessketten festgelegt, die mittels Pinch-Analyse verglichen werden. Die CNG- und LNG-Kette werden detailliert betrachtet und jeweils ein realisierbares Wärmemanagement erarbeitet. Die Ergebnisse der umfangreichen Bottom-up-Analyse der SOEC-Technologie fließen in die Technologiesteckbriefe ein, die als Grundlage für die techno-ökonomische Analyse ausgearbeitet werden.

Entwicklung, Bau, Betrieb und Simulation eines 1 kW-HT-PEMFC-Stacks

Das Projekt "Entwicklung, Bau, Betrieb und Simulation eines 1 kW-HT-PEMFC-Stacks" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg durchgeführt. Zielsetzung: Im Rahmen des Projekts soll ein Hochtemperatur-PEMFC-Stack (HT-PEMFC) mit einer Leistung von einem kWel. entwickelt, gebaut, betrieben und simuliert werden. Für die Auslegung des Stacks wird auf die aus dem Niedertemperatur-PEMFC-Feld bekannten Techniken des Stackbaus sowie auf die vorhandenen Kenntnisse aus der PAFC- und SOFC-Technik zurückgegriffen. Begleitend zur Konstruktion und zum Betrieb des Stacks wird eine Modellierung und Simulation des HT-PEMFC-Stacks erstellt und anhand der Betriebsdaten validiert. Weiterhin werden im Rahmen des Rahmen des Betriebs geeignete Betriebsführungsstrategien und Diagnoseverfahren entwickelt, welche einen sicheren Betrieb dieser Stacks sowie eine online-Zustandsbestimmung (state of health) erlauben.

WP 5: Environmental Aspects of SOFC Operation

Das Projekt "WP 5: Environmental Aspects of SOFC Operation" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Technische Thermodynamik, Abteilung Systemanalyse und Technikbewertung durchgeführt. Project objectives: The aim of the Integrated Project is to solve the persisting generic problems of ageing with planar Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) in a concerted action of the European fuel cell industry and research institutions. This includes gaining full understanding of degradation processes, finding solutions to reduce ageing and producing improved materials that will then be tested in stacks. In this process further consideration will be given to the design of cost effective materials, low cost components and optimised manufacturing processes. WP 5: Environmental Aspects of SOFC Operation Fuel cells have an important role to play to reduce emissions and improve energy conversion efficiencies. For this reason, it is important to be able to quantify the potential impact SOFCs can have relative to present conventional technologies. The LCA of the SOFC technologies developed by the partners in the project will be important to make sure avenues which have no future in terms of environmental impact arte not pursued further. Materials which cannot be recycled, which cannot be disposed of or which will be banned in future must be avoided. Manufacturing processes which are too energy consuming or which have a negative environmental impact must be avoided. The LCA analyses carried out will be a safeguard to prevent using project resources to develop what could be an interesting product from a technological point of view, but which could never be commercialised because of the environmental impact of the total emissions, and waste produced during its manufacture, use and disposal. (Project Co-ordinator: Electricité de France (EDF).

Development of ceramic oxide fuel cell (SOFC) for power

Das Projekt "Development of ceramic oxide fuel cell (SOFC) for power" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Siemens AG durchgeführt. Objective: Design concept and development of a large surfaced sofc consisting of a yttria stabilized zirconia electrolyte with electrodes on both sides and a corrugated structured bipolar plate. Because of using a metallic bipolar plate (which has to ensure besides the cells connection also the transport and distribution of gases) the cell operating temperature should be 900-950 celsius degree. The electrode material will also be suited to this temperature range. General information: within the contract en3e-0180-uk managed by imperial college and entitled 'fabrication and evaluation of small (100w) sofc reactors', sofc stocks will be built up and tested. The main differences (cell construction operating temperature, material of bipolar plate, test conditions) between the Siemens and the IC. Contracts are well defined. This work programme includes the development of a new corrugated structured sofc from the concept up to the test of one single or several cells. Main points are the preparation of thin, solid and mechanic stable electrolyte foils, the optimization of electrodes with respect to conductivity and pore structure (adaptation to the relative low temperature range of 900 - 950 celsius degrees) and the development of a bipolar plate, which ensures the mechanical stability of the electrolyte and the gas distribution. A wide-spread technical knowledge in the field of electro ceramics, bonding technique and electrochemics is available at Siemens. In addition all essential equipment and tools for preparation of defined porous structures etc. And for the analysis and characterization of materials are existing. Achievements: Siemens is proposing a new planar concept with metal separator plate for the ceramic oxide fuel cell (SOFC) reactor. Main goal of the preparation phase was the development of single SOFC cells with internationally comparable power data. The development of the ceramic compounds and the metal separator plate for the planar Siemens SOFC concept can be summarized as follows: manufacture of electrolyte bulk material by the mixed oxide process as well as from chemically prepared YSZ materials (FSZ and PSZ); physicochemical characterization of these electrolyte specimens; sintering studies with various tape casted electrolyte materials; development of a sintering process for a flat plate electrolyte with dimensions 100 x 100 x 0.15 mm(3); manufacture of cathode bulk material in the system La(1-u)Sr(u)Mn(1-x)Co(x)Mn03 by the mixed oxide process; physicochemical characterization of these cathode specimens; manufacture of anode bulk material of 10 to 100 per cent nickel content by the mixed oxide process; physicochemical characterization of these anode specimens; development of a screen printing technique for electrodes; manufacture of ceramic trilayers by tape casting screen printing; design and construction of a bench cell testing facility; bench cell testing of ceramic trilayers with various anode compositions; selection of ...

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