Neue KWK-Anlage am GWI: Tubulare SOFC-Brennstoffzelle in Kombination mit Mikrogasturbine

Am 30.09.2020 haben das Gas-und Wärme-Institut Essen e. V. und die Mitsubishi Power Europe GmbH die Verträge für die Errichtung eines neuartigen Hybrid-SOFC-Systems unterzeichnet. Am Standort des GWI in Essen wird das europaweit erste Hybrid-SOFC-System, welches aus einer tubularen Brennstoffzelle mit nachgeschalteter Mikrogasturbine besteht, ab Sommer 2021 installiert und bis 2022 in Betrieb genommen.

Tubulare Brennstoffzelle? Neuer Aufbau für mehr Effizienz

Die Kombination aus SOFC-Brennstoffzelle und Mikrogasturbine entwickelt sich zu einem spannenden Thema in der Energieversorgung. Nachdem die BTU Cottbus gemeinsam mit dem Fraunhofer IKTS aus Dresden Anfang Oktober die Entwicklung der TurboFuelCell vermeldet hat (ASUE berichtete), erreicht uns nun eine auf den ersten Blick ganz ähnliche Nachricht aus dem GWI Essen.

Aber der erste Einblick täuscht. Denn in Cottbus wird das heiße Abgas einer Mikrogasturbine genutzt, um die SOFC-Stacks auf die hohen, erforderlichen Systemtemperaturen zu bringen. Hierdurch entfällt die interne Aufheizung der Stacks und der Wirkungsgrad steigt.

Die von Mitsubishi zu liefernde Anlage funktioniert nach einem anderen Prinzip. Zunächst ist festzuhalten, dass die SOFC-Brennstoffzellenstacks hier nicht länger als gestapelte Ebenen, in so genannten Layers, vorliegen. Innerhalb dieser Layer sind Membranen, Anoden und Kathoden sowie der Elektrolyt bisher so gestapelt, dass die eingesetzten Brenngase vollständig verbraucht und hocheffizient in thermische und vor allem elektrische Energie umgesetzt werden.

Die Stacks von Mitsubishi bestehen im Inneren aus Röhren, deren Wände die sonst in den Layern eingebauten Funktionalitäten enthalten. In diesen dann tubulare Brennstoffzelle genannten Anlagen werden viele Röhren ähnlich einem Rohrbündelwärmetauscher zusammengefasst und in einem gemeinsamen Rahmen installiert. Durch das Innere der Röhren fließt dann das Brenngas, (Methan oder Wasserstoff) und außen wird der Stack mit Frischluft umströmt, um die chemische Reaktion mit dem benötigten Sauerstoff zu versorgen. Der während der Reaktion entstehende Strom und die Wärme werden abgeführt und genutzt.

Mikrogasturbine erhöht Wirkungsgrad

Die Nutzung von Röhren anstelle von Layern hat für den SOFC-Brennstoffzellenprozess den Vorteil, dass die Medienversorgung einfacher vonstattengeht und nicht so kleinteilige Einbauten eingesetzt werden müssen. Ein Nachteil ist aber, dass die eingesetzten Brenngase nicht zu 100 % umgesetzt werden.

Diese niederkalorischen Brenngase werden bei der Anlage am GWI zu einer Mikrogasturbine geführt, die daraus ebenfalls Strom aber vor allem Wärme auf einem hohen Temperaturniveau erzeugt. Dadurch wird das ursprünglich in der tubularen SOFC-Brennstoffzelle eingesetzte Brenngas vollständig umgesetzt. Die aufsummierte Elektrizität von SOFC und Mikrogasturbine wird dann zur weiteren Verwendung verteilt. Die Abwärme wird zum Teil auch hier zur Vorwärmung der Zuluft genutzt. Des Weiteren übernimmt sie beim GWI die Heißwasserversorgung, während seitens Mitsubishi auch Lösungen für Hochtemperatur-Anwendungen industrieller Prozesse verfügbar sind.

Am GWI sollen nach der Inbetriebnahme die hocheffiziente Energiebereitstellung und die CO₂-Einsparungen auf Basis der SOFC-Technologie im realen Anlagenbetrieb demonstriert und neue Betriebsstrategien, wie der flexible Betrieb der integrierten Gasturbine oder die Nutzung von Wasserstoff, erprobt werden. Dabei werden auch die Auswirkungen des Hybrid-SOFC-Systems auf die vor- und nachgelagerten Netze untersucht. Die Flexibilitäts-und CO₂-Minderungspotentiale bei der Energieversorgung von Quartieren, mittelständischen oder kleinen Unternehmen und auf der Landesebene von NRW sind aufgrund des hohen Innovationsgrades von besonderer Bedeutung.

Weitere Informationen

• Pressemeldung des GWI Essen
• Hintergrundinformationen von Mitsubishi Power Europe GmbH