DE102014119681A1

DE102014119681A1 - Kombination von Hochtemperaturbrennstoffzellen und Vergasungssystem

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Publication number: DE102014119681A1
Application number: DE102014119681.3A
Authority: DE
Inventors: Stephan Herrmann; Hartmut Spliethoff; Matthias Gaderer
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2016-06-30

Abstract

Die Beschreibung umfasst ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und Produktgas, umfassend: eine Brennstoffzelle 3 zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Anodenseite 10 und einer Kathodenseite 11, wobei die Anodenseite 10 Anodenabgase 5 und die Kathodenseite 11 Kathodenabgase 4 erzeugt und eine Vergasungszone 6, 13 zur Vergasung von Brennstoffen zur Erzeugung des Produktgases, wobei gleichzeitig zu der elektrischen Energie möglichst viel heizwertreiches Produktgas bereitgestellt wird, indem Exergieverluste des Verfahrens durch Zuführung von stickstofffreien Anodenabgasen 5 und/oder Kathodenabgasen 4 in die Vergasungszone 6, 13 minimiert werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Erzeugung elektrischer Energie und Produktgas.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Stand der Technik sind Vergasungssysteme und Brennstoffzellen bekannt, die zur Erzeugung von Produktgas bzw. elektrischer Energie eingesetzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer Vergasungszone eines Vergasungssystems erfolgen endotherme Vergasungsreaktionen. Diese benötigen Wärme und ein Vergasungsmedium, beispielsweise Wasserdampf oder Kohlendioxid. Um die Qualität des erzeugten Produktgases und die Nutzbarkeit in nachfolgenden Prozessen zu steigern sollte ein Stickstoffeintrag in das Produktgas vermieden werden. Beispielsweise auf Basis zirkulierender Wirbelschichten, in welchen für die Vergasung in einer Wirbelschicht benötigte Wärme in einer gasseitig getrennten zweiten Wirbelschicht mittels Verbrennung von Restkoks und zusätzlichem Brennstoff oder Produktgas mit Luft freigesetzt wird und mittels des zirkulierenden Bettmaterials in die Vergasungswirbelschicht übertragen wird, kann dies sichergestellt werden.
Produktgase müssen üblicherweise von Störkomponenten wie Partikeln und Schwefel gereinigt.
Hochtemperaturbrennstoffzellen in einer Brennstoffzellenanordnung, bestehend aus einem oder mehreren Stacks (nachfolgend vereinfacht „Brennstoffzelle“ genannt), erzeugen effizient Strom (ca. 50%) und hochwertige Wärme (ca. 35%), können jedoch nicht 100% der zugeführten Brenngase nutzen (ca. 15% Restbrennstoff). Im Abgas der Anode, bestehend aus Wasserdampf, Kohlendioxid und verbleibenden Brenngasresten wie Wasserstoff und Kohlenmonoxid, können die Brenngasreste nicht in die Umgebung abgegeben werden und werden in konventionellen Systemen daher unter Exergieverlusten nachverbrannt, wobei die übliche Nachverbrennung mit Luft zusätzlich einen Stickstoffeintrag in das Anodenabgas bedingt. Für eine stickstofffreie Nachverbrennung wird eine energieintensive Bereitstellung von beispielsweise reinem Sauerstoff benötigt. Die anfallende Temperaturdifferenz über einer Hochtemperaturbrennstoffzelle ist materialseitig auf etwa 100 K begrenzt. Dies wird üblicherweise durch einen Luftüberschuss in der Kathode eingehalten, wodurch allerdings der Großteil der in der Brennstoffzelle anfallenden Wärme im Kathodenabgas steckt und zugeordnete Wärmeübertrager zur Luftvorwärmung groß dimensioniert werden müssen.
Eine Aufgabe ist daher, ein Verfahren und eine Anlage zur kombinierten Erzeugung eines Produktgases und elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen, um energieeffizient Abgase und Abwärme einer Brennstoffzellenanordnung für die Vergasung zu nutzen und gleichzeitig ein Produktgas zur Verfügung zu stellen, das zumindest nahezu frei von Stickstoff ist.
Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und Produktgas zur Verfügung gestellt, umfassend: eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, wobei die Anodenseite Anodenabgase und die Kathodenseite Kathodenabgase erzeugt und eine Vergasungszone zur Vergasung von Brennstoffen zur Erzeugung des Produktgases, wobei gleichzeitig zu der elektrischen Energie möglichst viel heizwertreiches Produktgas bereitgestellt wird, indem Exergieverluste des Verfahrens durch Zuführung von stickstofffreien Anodenabgasen und/oder Kathodenabgasen in die Vergasungszone minimiert werden.
Verluste an Arbeitsfähigkeit der Energie- und Stoffströme des Verfahrens in Form von chemischer Energie und/oder Hochtemperaturwärme werden als Exergieverluste bezeichnet.
Kombinationen von Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellen, und Vergasungssysteme zur Erzeugung eines weiterführend nutzbaren, stickstoffarmen Produktgases und elektrischer Energie werden erfindungsgemäß derart angeordnet, dass heiße Abgase der Brennstoffzellen dem Vergasungssystem zugeführt werden. Dadurch wird Restbrennstoff im Produktgas, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid als Vergasungs- und gegebenenfalls Fluidisierungsmedium und in den Abgasen vorhandene Wärme für den Betrieb der Vergasung weitergehender Nutzung zugeführt. Durch den direkten Wärmeeintrag mittels Gaszirkulation werden komplexe Technologien wie Heat-Pipes oder große Wärmeübertrager für hohe Temperaturen vermieden. Verbrennungsvorgänge, welche unweigerlich mit Exergieverlusten einhergehen, werden so weit wie möglich reduziert oder vermieden und idealerweise lediglich zur Wärmebereitstellung für die Vergasung eingesetzt, wobei diese trotzdem zunächst so weit wie möglich durch elektro-chemisch freigesetzte Wärme gedeckt wird. Gleichzeitig werden Verluste an chemischer Energie minimiert bzw. komplett verhindert, indem Anodenabgase mit Restbrennstoffen über die Vergasung wieder bezüglich der Brenngasqualität (Anteil brennbarer Gase am Gesamtgasvolumen) aufgewertet werden.
Durch die Zuführung von ausschließlich zumindest nahezu stickstofffreien Gasen in die Vergasungszone kann sichergestellt werden, dass das Produktgas der Vergasungszone keiner Verdünnung mit Stickstoff unterliegt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und System wird eine simultane Erzeugung eines heizwertreichen, nahezu stickstofffreien Produktgases und elektrischer Energie mit bisher unerreichter Gesamteffizienz erzielt.
Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Erzeugung elektrischer Energie und Produktgas zur Verfügung gestellt, umfassend: eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, wobei die Anodenseite Anodenabgase und die Kathodenseite Kathodenabgase erzeugt und eine Vergasungszone zur Vergasung von Brennstoffen zur Erzeugung des Produktgases, wobei der Vergasungszone stickstofffreie Anodenabgase und/oder Kathodenabgase zugeleitet werden und dadurch ein heizwertreiches Produktgas bereitgestellt wird.
Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren bezogen auf den Heizwert des eingesetzten Brennstoffs 20% bis 60% elektrischer Leistung und gleichzeitig 75% bis 15% Produktgas erzeugt, wodurch eine (kombinierte, gesamte) elektro-chemische Effizienz von mindestens 65% erreicht wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der Vergasungszone und/oder der Verbrennungszone sämtliche Anodenabgase und Kathodenabgase komplett zugeleitet werden.
Werden die Abgase komplett in das Vergasungssystem überführt, so steigt die Effizienz, da die darin enthaltene Wärme und der Restbrennstoff vollständig in der Vergasung genutzt werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der Brennstoffzelle Produktgas als Brenngas zugeführt wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der Brennstoffzelle ein externes Brenngas, beispielsweise Erdgas, Biogas, oder Wasserstoff, zugeführt wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Brennstoffzelle als 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder beliebig viele in Serie geschaltete Brennstoffzellen ausgebildet ist, wobei die Abgase einer vorderen Kathodenseite einer Brennstoffzelle zumindest zum Teil einer nachfolgenden Kathodenseite und die Abgase einer vorderen Anodenseite einer Brennstoffzelle zumindest zum Teil einer nachfolgenden Anodenseite einer Brennstoffzelle zugeführt werden und/oder wobei die Brennstoffzellen mit zusätzlichen Brenngasen versorgt und/oder wobei Brenngase rezirkuliert werden.
Durch eine sequentielle Anordnung von Brennstoffzellenstacks kann unter Einhaltung der Temperaturspreizung von 100K pro Zelle ein hoher Gastemperaturhub der das Vergasungssystem einzuleitenden Gase erzielt werden, wodurch die Effizienz und Wirtschaftlichkeit gesteigert wird, da sich der Bedarf an Kathodengas zur Kühlung der Brennstoffzellenanordnung verringert und damit unter anderem einhergehend kleinere Gebläse und Wärmetauscher benötigt werden, wodurch weniger Verluste anfallen. Wird beispielsweise nach einer oder mehreren Stufen anodenseitig zusätzliches Methan zugeführt, so wird die nachfolgende Anode durch die endotherme Reformierungsreaktion zusätzlich gekühlt und der Bedarf an Kühlung weiter verringert. Auf diese Weise kann zum Beispiel auch eine Kombination von im System gewonnenem Produktgas und externem Brenngas (Erdgas, Biogas) in den Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei ein Vergasungssystem mit einer Vergasungszone und einer Verbrennungszone in Form zweier Wirbelschichten ausgebildet ist, wobei ein Wärmeübertrag zwischen Vergasungszone und Verbrennungszone mittels zirkulierendem Feststoff, insbesondere Bettmaterial, erfolgt und/oder wobei Kathodenabgase nur der Verbrennungszone und Anodenabgase der Verbrennungszone und der Vergasungszone zugeführt werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei das System eine Vorrichtung mit einem Elektrolyten zur Trennung von Stickstoff aus einem Gas aufweist, um eine Versorgung der Vergasungszone mit dem Gas sicherzustellen und/oder wobei die Vergasungszone ein Flugstromvergaser ist.
Durch die Elektrolytschicht der Brennstoffzelle wird sichergestellt, dass die Abgase der Anode stickstofffrei sind. Werden der Vergasungszone nur Anodenabgase zugeführt, so kann davon ausgegangen werden, dass das Produktgas stickstofffrei ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Brennstoffzellenanordnung ganz oder teilweise reversibel betrieben werden kann.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der Brennstoffzelle brenngasseitig eine Elektrolysezelle vorgeschaltet wird.
Wird der Brennstoffzelle beispielsweise eine Schmelzkarbonatelektrolyse-Zelle vorgeschaltet, so entfernt diese durch den Transport von Karbonationen von der Brenngas- auf die Oxidatorseite Kohlendioxid aus dem Brenngas. Ist die Brennstoffzelle beispielsweise eine Festoxidbrennstoffzelle, so wird hier nur Sauerstoff auf die Brenngasseite transportiert und somit effektiv Kohlendioxid aus dem Brenngas entfernt, während durch die Elektrolyse der Wasserstoffanteil im Brenngas gesteigert wird. Das oxidatorseitig in der Elektrolyse erzeugte Gas(-gemisch) kann entweder dem Kathodengas der Brennstoffzelle zugemischt werden, z.B. indem die Oxidatorseite von dem Kathodengas durchströmt wird oder die Gase nachträglich vermischt werden, oder davon getrennt gehalten und an anderer Stelle im System zur stickstofffreien Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wie beispielsweise einem Teil des Anodenabgases genutzt werden, wodurch eine einfache Kohlendioxidabscheidung durch Kondensation von Wasserdampf ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei der Brennstoffzellenanordnung ein Teil des Produktgases des Vergasers nach gegebenenfalls notwendiger Reinigung von Störkomponenten als Brenngas zur Verfügung gestellt und ein zweiter Teil des Produktgases, ebenfalls nach gegebenenfalls notwendiger Reinigung, zur weiterführenden Verwendung bereitgestellt wird. Die Nutzung eines Teils des erzeugten Produktgases ermöglicht einen gasseitig autarken Betrieb des Systems.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei der Brennstoffzellenanordnung ein externes, gegebenenfalls zuvor gereinigtes Brenngas zugeführt wird, beispielsweise aber nicht ausschließlich Erdgas, Biogas, Wasserstoff und andere, und das komplette Produktgas des Vergasungssystems nach gegebenenfalls erforderlicher Reinigung für eine weitergehende Verwendung zur Verfügung steht.
Die Nutzung eines externen Brenngases verringert den Anteil der Brennstoffzellenanordnung in Bezug auf den gesamten eingesetzten Brennstoff inklusive externem Brenngas. Externe Brenngase sind leichter regelbar, müssen weiterhin gegebenenfalls nicht zuvor gereinigt oder können kalt gereinigt werden, was zudem den Anlagenaufwand verringert. Externe Brenngase können auf diese Weise mit bisher unerreichter Effizienz umgesetzt werden, da nur hochwertiger elektrischer Strom erzeugt wird, die entstandene Wärme nahezu komplett in der Vergasung wiederverwertet wird und die Restbrennstoffe wieder aufgewertet werden können.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei das System eine Biogasanlage zur Erzeugung von Gas und eine kalte Gasreinigung aufweist, wobei die kalte Gasreinigung das Gas reinigt und wobei das gereinigte Gas der Anode zugeführt wird und/oder Niedertemperaturabwärme des Systems zur Beheizung der Biogasanlage genutzt wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei der Kathodenseite der Brennstoffzelle ausschließlich stickstofffreie Gase zugeführt werden.
Werden der Kathode nur stickstofffreie Gase zugeführt, können die Kathodenabgase der Vergasungszone zugeführt werden, ohne dass eine Verunreinigung des Produktgases mit Stickstoff zu befürchten ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, in dem ein Vergasungssystem in Form einer Vergasung- und einer davon gasseitig getrennten Verbrennungszone ausgebildet ist, beispielsweise in Form zweier Wirbelschichten, wobei ein Wärmeübertrag zwischen beiden Zonen mittels zirkulierendem Feststoff, beispielsweise Bettmaterial, realisiert ist (z.B. Hofbauer-Reaktor, AER-Wirbelschicht, Milena-Vergasungszone, SilvaGas) und Kathodenabgase der Brennstoffzellenanordnung der Verbrennungszone zugeführt werden und Anodenabgase in einem beliebigen Verhältnis beiden Zonen zugeführt werden können.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei die Vergasungszone ein Flugstromvergaser ist, in welchem zusätzlich zu vorgenannten Optionen vorteilhafterweise auch Anodenabgas und/oder Kathodenabgas anstelle eines Rohgasquenchs zugeführt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung werden Wärmetauscher derart angeordnet, dass Kathodengase mittels Kathodenabgasen (oder Verbrennungsrauchgasen) und Brenngase mit Produktgasen vorgewärmt werden.
Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, ein Vergasungssystem mit einer oder beliebig vielen Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellenanordnung derart zu kombinieren, dass gleichzeitig effizient elektrische Energie und möglichst viel hochwertiges Produktgas zur Verfügung gestellt werden, wobei eine Verunreinigung des Produktgases mit Stickstoff nahezu vollständig vermieden wird. Hierzu wird beispielsweise ein Vergasungssystem mit getrennter Vergasungs- und Verbrennungszone gewählt, wobei stickstoffhaltige Gase nur der Verbrennungszone zugeführt werden, oder es werden beispielsweise nur die Abgase der Anodenseite der Brennstoffzellenanordnung in die Vergasungszone eines Vergasungssystems eingeleitet oder der Kathodenseite der Brennstoffzellenanordnung ausschließlich stickstofffreies Gas zugeführt.
Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kombination einer Vergasungsanlage mit einer Brennstoffzelle 3, wobei der Vergasungszone 6 nur Abgase der Anode 10 zugeleitet werden, um ein stickstofffreies Produktgas zu erhalten,
2 eine schematische Darstellung einer Kombination einer Vergasungsanlage mit zwei Brennstoffzellen 3, wobei eine sequentielle Anordnung von Brennstoffzellen 3 vorliegt, wobei Abgase der letzten Anode 10 der Vergasungszone 6 zugeführt werden und wobei die Abgase der jeweiligen Vorgängerkathode 11 der Nachfolgerkathode 11 zugeführt werden. Es werden die Anoden 10 nur von Abgasen der Anoden 10 versorgt,
3 eine schematische Darstellung einer Kombination einer Vergasungsanlage mit einer Brennstoffzelle 3, wobei die Brennstoffzelle 3 mit Produktgas der Vergasungszone 6 betrieben wird und die Abgase der Brennstoffzelle 3 zum Antrieb einer Turbine 8 und für die Vergasungszone 6 genutzt werden. Die Anodenabgase werden der Vergasungszone 6 zugeführt, wobei der Druckverlust über der Anode und der Vergasungszone 6 mittels eines Dampfstrahlverdichters kompensiert und der Vergasungszone 6 zusätzlich Sauerstoff, aber kein Stickstoff, zugeführt wird,
4 eine schematische Darstellung einer Kombination einer Vergasungsanlage mit einer Brennstoffzelle 3, wobei sämtliche Abgase der Brennstoffzelle 3 einer Vergasungszone 6 der Vergasungsanlage zugeführt werden. Es werden der Brennstoffzelle 3 auch auf der Kathodenseite nur stickstofffreie Gase zugeführt, um ein stickstofffreies Produktgas sicherzustellen,
5 eine schematische Darstellung einer Kombination einer Vergasungsanlage mit einer Brennstoffzelle 3, wobei von Stickstoffen freie Gase einer Biogasanlage 18 dem Verdichter 1 anodenseitig zugeführt wird,
6 einen Flugstromvergaser 13, der zumindest abschnittsweise eine Schicht 16, insbesondere ein Elektrolyt, aufweist, das nur für Sauerstoff durchlässig ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass in den Vergaser 13 kein Stickstoff gelangen kann,
7 Ergebnisse einer Kreislaufrechnung mit Güssing-Vergaser mit gestufter SOFC-Brennstoffzelle im Produktgasbetrieb und optional nachgeschalteter Methanisierung mit Abwärmenutzung durch Dampfkreislauf und
8 einen Flugstromvergaser mit Produktgasbetrieb und Luft mit Gasturbine, zusätzlich Gasquench mit einem Teil des Anodenabgases anstelle des üblichen Rohgasquenchs.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage mit einem Vergasungssystem, bestehend aus einer Vergasungszone 6 und einer Verbrennungszone 19, sowie einer Brennstoffzelle 3. Die Brennstoffzelle 3 wird mit einem mittels Kompressoren/Verdichtern/Gebläsen 1 geförderten und gegebenenfalls komprimierten, zumindest bei höheren Temperaturen gasförmigen Brennstoff versorgt. Die Verdichter 1 werden von elektrischen Motoren 2 angetrieben. Die Brennstoffzellen 3 erzeugen elektrische Energie. Außerdem entstehen heiße Abgase durch den Betrieb der Brennstoffzelle 3, die als Wärmeeintrag in die Vergasungsanlage 6, 19 genutzt werden. Hierdurch können die Abgase der Brennstoffzelle 3 energieeffizient eingesetzt werden. Der Vergasungszone 6 wird ausschließlich von der Anode 10 mit heißem Abgas 5 versorgt. Ein Elektrolyt 12 zwischen Anode 10 und Kathode 11 der Brennstoffzelle 3 wirkt als Schranke für Stickstoff, wodurch sichergestellt ist, dass in die Anode 10 kein Stickstoff gelangen kann. Es wird daher in der Vergasungszone 6 kein Stickstoff anfallen können. Das Produktgas kann frei von Stickstoff gewonnen werden. Die Brennstoffzelle kann eine SOFC, eine MCFC oder eine protonenleitende HTBZ (Hochtemperaturbrennstoffzelle) sein.
2 zeigt eine weitere Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie und Produktgas, wobei die Anlage mehrere Brennstoffzellen 3 in Serie als Reihung ausgebildet aufweist. Hierdurch können Abgase der ersten Brennstoffzelle 3 einer zweiten Brennstoffzelle 3 zugeführt werden, wodurch die Effektivität der Anlage gesteigert werden kann. Es kann insbesondere eine sehr hohe Temperatur für die Vergasung erzielt werden. Beispielsweise kann bei einem ersten Stack von Brennstoffzellen eine Temperatur von 600–700°C, bei einem zweiten Stack 700–800°C, bei einem dritten Stack 800–900°C und bei einem vierten Stack 900–1000°C vorliegen. Es wird eine maximale Temperaturdifferenz der einzelnen Stacks eingehalten und dennoch eine hohe Gesamttemperaursteigerung von beispielsweise 400 K, sowie eine Reduktion des Kühlluftüberschusses erreicht. Insbesondere wird sichergestellt, dass die Vergasungskammer 6 nur von Anoden 10 mit Abgasen 5 versorgt werden, um ein stickstofffreies Produktgas aus der Vergasungszone 6 zu erhalten.
3 zeigt eine Anlage zur Energieerzeugung, wobei die Abgase einer Kathode 11 der Brennstoffzelle 3 zum Antrieb einer Turbine 20 genutzt werden. Hierdurch wird ein Generator 9 zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben. Abgase einer Anode 10 der Brennstoffzelle 3 können zur Unterstützung des Betriebs einer Vergasungseinheit 6 genutzt werden. Die Vergasungszone 6 wird von der Anode 10 mit heißen Abgasen 5 versorgt. Außerdem wird der Vergasungszone 6 ausschließlich Sauerstoff zugeführt, wodurch sichergesellt werden kann, dass innerhalb der Vergasungszone 6 kein Stickstoff anfällt. Die Kompensation von Druckverlusten in Vergasungszone 6 und Anode 10 wird in dieser beispielhaften Ausführung mittels eines Dampfstrahlverdichters erzielt, welcher auch gleichzeitig als Sauerstoffnachbrenner dienen kann. Weiterhin ist in 3, beispielhaft auch für alle anderen Ausführungsformen der Erfindung, die interne Rezirkulation von Brennstoffzellenabgasen gezeigt.
4 zeigt eine Anlage zur Energieerzeugung, wobei Abgase der Anode 10 und der Kathode 11 einer Brennstoffzelle 3 einer Vergasungszone 6 einer Vergasungseinheit als Wärmeeintrag zugeführt werden. Die Kathode 11 wird ausschließlich mit stickstofffreien Gasen versorgt. Hierdurch fällt auch in der Kathode 11 kein Stickstoff an. Das Produktgas ist daher frei von Stickstoff.
5 zeigt eine besondere Ausführungsform mit einem Verdichter 1, der mit Gasen einer Biogasanlage 18 versorgt wird. Hierbei findet vor der Einleitung in den Verdichter 1 eine Gasreinigung 14 statt. Vorteilhafterweise kann hierbei eine kalte Gasreinigung 14 erfolgen, die weniger aufwändig ist im Vergleich zu einer heißen Gasreinigung. Eine kalte Gasreinigung 14 meint eine Gasreinigung eines kalten Fluids. Eine heiße Gasreinigung ist die Gasreinigung eines heißen Fluids. Durch die kalte Gasreinigung 14 gelangen in die Brennstoffzelle 3 nur störstofffreie Gase, wodurch ein problemloser Betrieb der Brennstoffzelle erzielt werden kann.
6 zeigt eine Kombination von Hochtemperaturbrennstoffzellen mit einem Flugstromvergaser 13. Der Vergaser 13 kann vollständig oder abschnittsweise eine gas- oder ionendurchlässige Schicht 16 aufweisen, die nur Sauerstoff(-ionen) durchlässt. Hierdurch kann sichergesellt werden, dass im Vergaser 13 kein Stickstoff anfällt. Das Produktgas ist daher frei von Stickstoff. In einer alternativen Ausführungsform kann vor dem Vergaser 13 ein Mittel 15 angeordnet werden, das als Stickstoffschranke funktioniert, wodurch Sauerstoff aus dem Kathodenabgas in das Anodenabgas übertragen und gleichzeitig sichergestellt werden kann, dass kein Stickstoff in den Vergaser 13 gelangen kann. In einer noch weiteren Ausführungsform wird der Vergaser 13 ausschließlich von einer Anode einer Brennstoffzelle versorgt. Bei sämtlichen erfindungsgemäßen Ausführungsformen können zusätzlich Sauerstoff, Wasserdampf und andere Medien in eine vorgelagerte Brennkammer 17 oder den Flugstromvergaser 13 zugeführt werden. Die Varianten zur Trennung von Stickstoff können einzeln oder als Kombinationen eingesetzt werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit erzielten Daten aus einer Kreislaufberechnung mit Aspen Plus. Das Vergasungssystem basiert auf dem Hofbauerreaktor der Firma Güssing Renewable Energy in Güssing, Österreich (FICFB), bestehend aus Wirbelschicht-Vergasungszone 6 und Wirbelschichtbrennkammer 19, mit Wärmetransport mittels umlaufendem Bettmaterial. Die Abgase einer dreistufigen Brennstoffzellenanordnung, welche mit einem Teil des erzeugten und anschließend gereinigten Produktgases betrieben wird, werden in das Vergasungssystem überführt, wodurch die in den Brennstoffzellen 3 freigesetzte Wärme für die Vergasung genutzt und Restbrennstoff teilweise rezirkuliert wird. In diesem Beispiel ist zudem eine weiterführende Nutzungsoption für das erzeugte Produktgas mit Methanisierung und Abwärmenutzung mittels Dampfkreislauf und Fernwärmeauskopplung gezeigt. Zur Anpassung der Produktgaszusammensetzung, sowie zur Wärmefreisetzung, wird ein Teil der Anodenabgase anstelle der Vergasungszone 6 in die Brennkammer 19 geleitet.
Für diese Ausführungsform gilt:
Einsatzstoff: Holzchips 8000 kW
Erzeugung: elektrisch (AC, netto): SOFC 2320 kW (plus Dampfturbine 320 kW)
Chemisch: Produktgas 4400 kW (oder Methan 3670 kW)
Fernwärmeauskopplung: max. 930 kWth bei ca. 95° C
Energieeffizienz: max. 90,6 % inkl. Wärmeauskopplung
Energieeffizienz „elektro-chemisch“: 84% (Strom + Produktgas)
Exergieeffizienz „elektro-chemisch“: 71,94% (Strom + Methan)
Weitere Anmerkungen und Modellannahmen:

Brennstofftrocknung von 50% auf 8–15% Feuchte mit Fernwärmerücklauf (analog zu Güssing-Anlage) und Abwärme aus dem Rauchgas (direkt) oder Dampfkreislauf (Entnahmekondensation, indirekt) im Modell berücksichtigt SOFC-Inverter Effizienz 95%
Turbomaschinerie isentrope Effizienz 85%

Der gezeigte Fall ist für maximale Exergieeffizienz und minimale Kosten für SOFC optimiert.
Bei Präferenz für höhere elektrische Ausgangsleistung kann diese auf bis zu 53,6 % gesteigert werden, zuungunsten einer Methanausbeute mit nur 17,3 % (Methan).
8 zeigt beispielhaft einen Flugstromvergaser mit Anodenabgas und zusätzlichem Sauerstoff als Vergasungsmedium, sowie zusätzlich einen Anodenabgasquench für Produktgas. Das Anodenabgas kann, muss aber nicht, vor dem Quench gekühlt werden.
Es sind weiterhin der Vergasung ähnliche andere thermo-chemische Gaserzeugungsverfahren, beispielsweise Pyrolyse (stark vereinfacht eine Vergasung ohne Zufuhr eines Vergasungsmediums) bekannt, welche im Folgenden stets als synonym zu dem Begriff „Vergasung“ verstanden werden.
Der Begriff „stickstofffrei“ soll im Folgenden als eine Anforderung an einen maximal erlaubten Volumenanteil von Stickstoff in einem Gas definiert sein. Die jeweilige Grenze ergibt sich durch die angestrebte weitere Verwendung des Gases beziehungsweise nachgeschaltete Prozesse, beispielsweise durch die technischen Mindestanforderungen zur Einspeisung von synthetischem Erdgas (SNG) in das Erdgasnetz auf Basis des Energiewirtschaftsgesetzes und der Gasnetzzugangsverordnung. Heizwertreiche Produktgase haben einen Brennstoffanteil von über 25 Volumenprozent.
Die elektro-chemische Effizienz eines Verfahrens oder Systems ist definiert als die Summe der bereitgestellten elektrischen und chemischen Ausgangsleistung im Verhältnis zu der eingesetzten Brennstoffleistung.
Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
Bezugszeichenliste

1: Kompressor/Verdichter/Gebläse zur Förderung und/oder Kompression eines Fluids, insbesondere Brenngase und/oder Luft
2: elektrischer Motor zum Antreiben eines Verdichters oder Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung mittels einer Turbine
3: Brennstoffzelle
4: Abgas der Kathode einer Brennstoffzelle (Kathodenabgas)
5: Abgas der Anode einer Brennstoffzelle (Anodenabgas)
6: Vergasungszone
7: Brennstoffzufuhr für die Vergasungszone
8: mit Stickstoff verunreinigter Bereich
9: Generator
10: Anode einer Brennstoffzelle
11: Kathode einer Brennstoffzelle
12: Elektrolyt zwischen Anode und Kathode
13: Vergasungszone
14: kalte Gasreinigung
15: Schranke für Stickstoff
16: Abschnitt mit Elektrolyt
17: Brennkammer
18: Biogasanlage
19: Verbrennungszone
20: Turbine

Claims

Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und Produktgas, umfassend: eine Brennstoffzelle (3) zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Anodenseite (10) und einer Kathodenseite (11), wobei die Anodenseite (10) Anodenabgase (5) und die Kathodenseite (11) Kathodenabgase (4) erzeugt und eine Vergasungszone (6, 13) zur Vergasung von Brennstoffen zur Erzeugung des Produktgases, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig zu der elektrischen Energie möglichst viel heizwertreiches Produktgas bereitgestellt wird, indem Exergieverluste des Verfahrens durch Zuführung von stickstofffreien Anodenabgasen (5) und/oder Kathodenabgasen (4) in die Vergasungszone (6, 13) minimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bezogen auf den Heizwert des eingesetzten Brennstoffs 20% bis 60% elektrischer Leistung und gleichzeitig 75% bis 15% Produktgas erzeugt, wodurch eine elektro-chemische Effizienz von mindestens 65% erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungszone (6, 13) und/oder der Verbrennungszone (19) sämtliche Anodenabgase (5) und Kathodenabgase (4) komplett zugeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (3) Produktgas als Brenngas zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (3) ein externes Brenngas, beispielsweise Erdgas, Biogas, oder Wasserstoff, zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) als 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder beliebig viele in Serie geschaltete Brennstoffzellen ausgebildet ist, wobei die Abgase einer vorderen Kathodenseite einer Brennstoffzelle zumindest zum Teil einer nachfolgenden Kathodenseite und die Abgase einer vorderen Anodenseite einer Brennstoffzelle zumindest zum Teil einer nachfolgenden Anodenseite einer Brennstoffzelle zugeführt werden und/oder wobei die Brennstoffzellen mit zusätzlichen Brenngasen versorgt und/oder wobei Brenngase rezirkuliert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergasungssystem mit einer Vergasungszone (6) und einer Verbrennungszone (19) in Form zweier Wirbelschichten ausgebildet ist, wobei ein Wärmeübertrag zwischen Vergasungszone (6) und Verbrennungszone (19) mittels zirkulierendem Feststoff, insbesondere Bettmaterial, erfolgt und/oder wobei Kathodenabgase (4) nur der Verbrennungszone (19) und Anodenabgase (5) der Verbrennungszone (19) und der Vergasungszone (6) zugeführt werden.
System zur Erzeugung elektrischer Energie und Produktgas, umfassend: eine Brennstoffzelle (3) zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Anodenseite (10) und einer Kathodenseite (11), wobei die Anodenseite (10) Anodenabgase (5) und die Kathodenseite (11) Kathodenabgase (4) erzeugt und eine Vergasungszone (6, 13) zur Vergasung von Brennstoffen zur Erzeugung des Produktgases, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungszone (6, 13) stickstofffreie Anodenabgase (5) und/oder Kathodenabgase (4) zugeleitet werden und dadurch ein heizwertreiches Produktgas bereitgestellt wird.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Vorrichtung (15, 16) mit einem Elektrolyten zur Trennung von Stickstoff aus einem Gas aufweist, um eine Versorgung der Vergasungszone (6, 13) mit dem Gas sicherzustellen und/oder wobei die Vergasungszone ein Flugstromvergaser (13) ist.
System nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Biogasanlage (18) zur Erzeugung von Gas und eine kalte Gasreinigung (14) aufweist, wobei die kalte Gasreinigung (14) das Gas reinigt und wobei das gereinigte Gas der Anode (10) zugeführt wird und/oder Niedertemperaturabwärme des Systems zur Beheizung der Biogasanlage genutzt wird und/oder wobei der Kathodenseite der Brennstoffzelle (11) ausschließlich stickstofffreie Gase zugeführt werden.