DE202004006532U1

DE202004006532U1 - Mobile Stromversorgungseinrichtung, insbesondere zur Bordstromversorgung von Schiffen und anderen Fahrzeugen

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Publication number: DE202004006532U1
Application number: DE202004006532U
Authority: DE
Original assignee: Fr Luerssen Werft GmbH and Co
Current assignee: Fr Luerssen Werft GmbH and Co
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2014-04-23

Abstract

Mobile Stromversorgungseinrichtung (10), insbesondere zur Bordstromversorgung von Schiffen oder anderen Fahrzeugen, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Kombination einer unter Hochdruck betriebenen SOFC Brennstoffzelle (20) und einer der Hochdruckerzeugung dienenden, mindestens mit dem Abgas der Brennstoffzelle und ggf. mit Zusatzbrennstoff betriebenen Gasturbine (12), durch einen von dieser Gasturbine angetriebenen Generator (18) sowie dadurch, dass die elektrische Ausgangsleistung des von der Gasturbine angetriebenen Generators ein mehrfaches der elektrischen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung insbesondere zur Bordstromversorgung von Schiffen und anderen Fahrzeugen.
Zur Bordstromversorgung von Schiffen dient üblicherweise ein aus mindestens einem Dieselmotor und mindestens einem Generator bestehendes Strom- oder Dieselaggregat. Diese Lösung ist preiswert, weil der Wirkungsgrad von Dieselmotoren recht hoch ist. Diese Art der Bordstromversorgung ist auch praktisch, da Dieselbrennstoff überall leicht verfügbar ist.
Dieselaggregate sind auch deshalb von Vorteil, weil sich die Abgabe der elektrischen Leistung in weiten Grenzen regeln und damit an einem stark schwankenden Bedarf leicht und schnell anpassen lässt.
Die Notwendigkeit einer schnellen Anpassung der verfügbaren Leistung an den Leistungsbedarf wird deutlich, wenn man sich beispielsweise die Schwankungsbreite des Leistungsbedarfes an Bord einer Motoryacht von 100 Metern Länge vergegenwärtigt. Hier rechnet man im Ankerbetrieb mit einer Grundlast von 100 kW und einem maximalen Bedarf von etwa 900 kW. Dieses Verhältnis von etwa 1:9 ist mit einem oder auch mehreren Dieselaggregaten leicht zu bewältigen.
Jedoch hat diese herkömmliche Art der Bordstromversorgung von Schiffen auch einige unerwünschte Nebeneffekte, die sich primär im Anker- und im Hafenbetrieb zeigen. So sind dort die Emissionen von lästigen Gerüchen und Schadstoffen, die Emission der Laufgeräusche des Dieselaggregates unangenehm, und auch die von dem Dieselaggregat ausgehenden Vibrationen können den Komfort an Bord schmälern.
Dies vorausgeschickt lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mobile Stromversorgungseinrichtung insbesondere zur Bordstromversorgung von Schiffen und anderen Fahrzeugen anzugeben, bei der die geschilderten Nachteile insbesondere bezüglich der Emissionen und Geräusche sowie Vibrationen sehr stark reduziert werden, ohne dass der Gesamtwirkungsgrad der Bordstromversorgung wesentlich reduziert würde.
Eine theoretisch denkbare Lösung der Aufgabe bestünde in dem Einsatz einer Brennstoffzelle, die außer Pumpen keine beweglichen Teile und wenig Schadstoffemissionen hat. Von diesen gibt es bereits verschiedene Typen, die auf der Basis unterschiedlicher Elektrolyte arbeiten und in vielerlei Hinsicht sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie haben unterschiedliche Wirkungsgrade, unterschiedliche Leistungsgewichte, unterschiedliche Anfahr- und Regelgeschwindigkeiten und reagieren unterschiedlich empfindlich auf den Gehalt des Brennstoffs an Schwefel, CO und CO₂, was bei der Verwendung von Dieselkraftstoff und allen anderen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen von erheblicher Bedeutung ist.
Betrachtet man den abzudeckenden Unterschied von bis zu 1:9 und mehr zwischen Grund- und Volllast und berücksichtigt die wirtschaftliche Notwendigkeit einer, dem Dieselaggregat vergleichbaren hohen Lebensdauer, dann kommt der Einsatz von Brennstoffzellen beim derzeitigen Stand der Entwicklung nicht nur wegen der ungenügenden Regelgeschwindigkeit von lediglich einigen Prozent pro Minute kaum in Betracht sondern ebenso wenig deswegen, weil die Lebensdauer von Brennstoffzellen beim Betrieb mit schwankenden Lasten abnimmt. Als nachteilig stellt sich der Einsatz von Brennstoffzellen auch deswegen dar, weil der Punkt ihres maximalen Wirkungsgrades im Teillastbetrieb liegt. Im Volllastbetrieb ist die Brenngasausnutzung schlechter, wodurch der Wirkungsgrad abnimmt.
Schließlich haben Brennstoffzellen mit einer Leistung von bis zu etwa 1000 kW beim derzeitigen Entwicklungsstand ein so großes Bauvolumen, dass sie für einen mobilen Einsatz kaum geeignet sind.
Die vorstehenden Überlegungen über Brennstoffzellen gelten beim jetzigen Stand der Entwicklung auch noch für Brennstoffzellen vom Typ SOFC, auch beim Betrieb unter Hochdruck. Dieser Hochdruckbetrieb steigert den Wirkungsgrad zwar noch einmal deutlich sowohl im Volllastbetrieb als auch bei Teillast. Das Anfahr- und Regelverhalten dieser Brennstoffzelle wird aber durch den Hochdruckbetrieb nicht verbessert. Wenn man diese SOFC mit schwankenden Leistungen betreiben will, müssen Energie-Zwischenspeicher vorgesehen werden, mit deren Hilfe dann geregelt werden kann. Auf diese Weise wird das Bauvolumen aber weiter vergrößert. Alternativ könnte man eine dynamische Brenngasversorgung vorsehen und auf diese Weise die Leistungsabgabe der SOFC regeln. Doch würde sich – wie schon erwähnt – die Lebensdauer der Brennstoffzelle beim Betrieb der SOFC mit schwankenden Lasten verringern.
Der Ladedruck für den Hochdruckbetrieb der SOFC Brennstoffzellen wird im Stand der Technik mit Hilfe kleiner Gasturbinen erzeugt, die mit dem die SOFC passierenden Restbrennstoff und der die SOFC mit hohem Temperaturniveau verlassenen Abgase betrieben werden. Die Verdichterstufen der Gasturbine liefern auf diese Weise den gewünschten hohen Ladedruck. Bekannt ist es bei derartigen Hybrid-Anlagen auch, einen noch vorhandenen Energieüberschuss am Auslass der Gasturbine zum Betrieb einer weiteren Gasturbine und diese zum Betrieb eines Generators zu benutzen, der den Gesamtwirkungsgrad einer solchen Anlage vergrößert. Die Verteilung der abgegebenen Leistung von Brennstoffzelle und Gasturbine verhält sich hier üblicherweise wie 3 bis 4 zu 1. Mit Abstand dominierend ist also die Brennstoffzelle.
Großes Bauvolumen und schlechtes Regelverhalten lassen auch diese Hybridanlagen derzeit als ungeeignet für den mobilen Betrieb insbesondere für die Bordstromversorgung von Schiffen erscheinen.
Es ist weiterhin bekannt, zur Stromerzeugung Gasturbinen einzusetzen, welche Generatoren antreiben. Diese Kombinationen findet man in kleinen Ausführungen in Flugzeugen sowie in großen Ausführungen zur Spitzenstromerzeugung in der allgemeinen Energieversorgung. Das Regelverhalten von Stromerzeugern mit Gasturbinenantrieb ist gut. Der Wirkungsgrad bleibt jedoch hinter dem von Dieselaggregaten zurück und sinkt im Teillastbereich erheblich ab, sodass diese Aggregate für einen vorgegebenen Betriebspunkt optimiert sind und im wesentlichen bei diesem Betriebspunkt gefahren werden. Für die mobile Stromversorgung insbesondere auf Schiffen sind derartige Anlagen wegen ihres ungünstigen Wirkungsgrades wenig geeignet, obwohl sie im Bereich der Emissionen und Vibrationen deutliche Vorteile gegenüber Dieselaggregaten haben.
Die erfindungsgemäße Lösung der vorstehend angesprochenen Aufgabe besteht in apparativer Hinsicht aus einer Kombination einer unter Hochdruck arbeitenden SOFC Brennstoffzelle mit einer der Hochdruckerzeugung dienenden Gasturbine, einem von dieser Gasturbine angetriebenen Generator sowie daraus, dass die elektrische Ausgangsleistung des von der Gasturbine angetriebenen Generators ein Mehrfaches der elektrischen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle beträgt.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren insbesondere zur Bordstromversorgung von Schiffen oder anderen Fahrzeugen, bei dem in einer Hybridanordnung einer Hochdruck-SOFC-Brennstoffzelle mit einem den Ladedruck für die Brennstoffzelle liefernden, einen Generator antreibenden und mindestens mit dem Abgas der Brennstoffzelle und ggf. mit Zusatzbrennstoff betriebenen Gasturbine die elektrische Grundlast von der Brennstoffzelle und der darüber hinausgehende Bordstrombedarf bis zu einem Mehrfachen der Grundlast von der Gasturbine erzeugt wird.
Die Kombination aus einer bestimmten Brennstoffzelle, einer Gasturbine und einem Generator in Verbindung mit der Vorgabe, dass die Brennstoffzelle zur Abdeckung der vergleichsweise kleinen Grundlast und die Gasturbine zur Abdeckung des bis zu einem mehrfachen darüber hinausgehenden Energiebedarfs auszulegen sind, führt dazu, dass eine Kompensation des schlechten Wirkungsgrads der Gasturbine mit dem guten Wirkungsgrad der Hochdruck-SOFC-Brennstoffzelle stattfindet, das schlechte Regelverhalten der Brennstoffzelle keine Rolle mehr spielt, sondern durch das gute Regelverhalten der Gasturbine ersetzt wird, die Vibrationsfreiheit der Gasturbine den Komfort an Bord vergrößert und die Armut an sonstigen Emissionen der Kombination das gesteckte Ziel erreichen lässt.
Der Kern der Erfindung liegt in dem Gedanken, zwei Stromerzeuger, nämlich eine Gasturbine und eine Brennstoffzelle so miteinander zu kombinieren, dass die Vorteile des einen Stromerzeugers die Nachteile des anderen kompensieren und umgekehrt, so dass auch die Nachteile des einen Stromerzeugers durch die Vorteile des anderen relativiert werden. Hinzukommt, dass die Gasturbine im Falle der Erfindung nicht mehr – wie im Stand der Technik – nur ein Hilfsaggregat für den Betrieb einer Hochdruck-Brennstoffzelle ist, sondern im Gegensatz zum Stand der Technik die Hauptlast der Stromerzeugung im Volllastbetrieb trägt und auch die Brennstoffzelle – entgegen ihrem Einsatz im Stand der Technik – nicht mehr den primären Rang hat. Während im Stand der Technik das Verhältnis der abgegebenen Leistung von Brennstoffzelle zu Gasturbine bei etwa 3 bis 4:1 liegt, liegt es in einer typischen Anwendung der Erfindung umgekehrt bei einem Verhältnis von beispielsweise 2:8 oder 1:9.
Vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei ist hervorzuheben, dass die erfindungsgemäße Einrichtung bei Verfügbarkeit entsprechender Reformer bevorzugt mit gasförmigem Dieselbrennstoff betrieben wird.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur mobilen Stromversorgung, insbesondere von Schiffen, ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.
Der Zeichnung ist zu entnehmen, dass die erfindungsgemäße Einrichtung 10 eine Gasturbine 12 aufweist, deren Turbine 14 einen Generator 18 antreibt.
Der Generator des Ausführungsbeispiels hat eine maximale Leistung von etwa 900 kW und ist von herkömmlicher Bauart.
Der spezifische Brennstoffverbrauch von Gasturbinen inklusive Verdichter liegt bei stationären Großanlagen im Bereich von etwa 200 bis 250 g/kWh. Im Teillastbetrieb, der für die erfindungsgemäße Einrichtung auf der Seite der Gasturbine zu berücksichtigen ist, kann man mit einem spezifischen Verbrauch von 270 bis 300 g/kWh rechnen. Hierbei ist ein Brennstoff mit einem Heizwert H_U von 42.800 kJ/kg zugrundegelegt. Hieraus errechnet sich ein mechanischer Wirkungsgrad einer Gasturbine von ca. 28 bis 31 %. Rechnet man nun noch den Wirkungsgrad des Generators mit etwa 95% und den Wirkungsgrad des notwendigen und in der Zeichnung nicht dargestellten Getriebes von etwa 99% hinzu, dann ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad des im Teillastbereich laufenden Gasturbinengenerators von etwa 26 bis 29%. Damit liegt der Wert unterhalb des Gesamtwirkungsgrades eines Dieselgenerators von etwa 29 bis 37% bei sonst gleichen Vorraussetzungen.
Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung 10 weist weiterhin eine Brennstoffzelle 20 auf. Beim derzeitigen Entwicklungsstand der Brennstoffzellentechnologie handelt es sich bei der Brennstoffzelle um eine mit festem Oxid betriebene Zelle, die üblicherweise als SOFC-Brennstoffzelle bezeichnet wird. Diese derzeit für die erfindungsgemäße Anwendung bevorzugte Brennstoffzelle hat eine elektrische Leistung von etwa 100 kW und wird unter einem Hochdruck von bevorzugt 3 bis 10 bar im Bereich von etwa 800°C bis 1000°C betrieben. Dabei ergibt sich bei konservativer Betrachtung und unter Berücksichtigung eines Wechselrichterwirkungsgrades von etwa 95% ein Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle von etwa 57 bis 67%.
Berücksichtigt man nun die Leistungsaufteilung von Brennstoffzelle zu Gasturbine von beispielsweise 1:9, so erhält man einen Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Einrichtung im Bereich von ca. 30 bis 33%. Teilt man die Leistungen von Brennstoffzelle und Gasturbinengenerator im Verhältnis von 2:8 auf, dann erreicht man einen Gesamtwirkungsgrad der Einrichtung von etwa 33 bis 37% und damit einen Wert, der gleich oder sogar noch etwas höher liegt als bei einem Dieselgenerator.
Ausweislich der Zeichnung werden der Brennstoffzelle 20 einerseits durch eine Leitung 22 ein aufbereitetes Brenngas als gasförmiger Brennstoff sowie durch eine Leitung 24 verdichtete Luft zugeführt. Diese Luft ist von dem Verdichter 16 der Gasturbine 12 auf etwa 3 bis 10 bar vorverdichtet. Bei dem durch die Leitung 22 zugeführten Brennstoff handelt es sich im Ausführungsbeispiel um LNG oder auch LPG oder um in einem Dieselreformer aus flüssigem Dieselbrennstoff gewonnenes, aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Gas, welches eine Entschwefelungseinrichtung durchlaufen hat. Dieser Brennstoff wird in der Brennstoffzelle bei etwa 800°C bis 1000°C in einer elektrochemischen Reaktion in elektrische Energie umgewandelt. Der so erzeugte Gleichstrom wird der Brennstoffzelle mittels einer elektrischen Leitung 27 entnommen und einem Wechselrichter 28 zugeführt.
Sofern die Brennstoffzelle nicht mit Brennstoffüberschuss betrieben wird, steht am Ausgang der Brennstoffzelle ein nur wenig Restbrennstoff enthaltendes Abgas mit einer Temperatur von etwa 850°C zur Verfügung. Dieses gelangt durch eine Abgasleitung 26 in eine Zusatzbrennkammer 30, die separat oder Teil der Turbine 14 sein kann. In diese Kammer gelangen durch eine Leitung 32 verdichtete Luft und durch eine Leitung 34 weiterer Brennstoff, der in der Zusatzbrennkammer 30 verbrannt wird. Dieser weitere Brennstoff braucht nicht notwendigerweise durch die Brenngasaufbereitung gelaufen zu sein, sondern kann mit Vorteil in flüssiger Form direkt in die Brennkammer eingespritzt werden. Man vermeidet dadurch Probleme wegen der schlechten Dynamik der Brenngaserzeugung.
Das in der Zusatzbrennkammer 30 erzeugte Gas wird über eine Leitung 36 der Turbine 14 zugeführt, und das immer noch energiereiche Abgas der Turbine 14 wird in nicht dargestellter Weise zum Betrieb von Neben aggregaten, beispielsweise dem Dieselreformer, einem Rekupperator, für die Warmwassererzeugung etc. verwendet.
Das erfindungsgemäße Konzept lässt eine Reihe von Varianten zu, die in der Zeichnung allerdings nicht dargestellt sind.
So kann an Stelle von Dieselbrennstoff auch LPG oder Methan zum Betrieb der Einrichtung verwendet werden, wodurch sich Reformierung und Entschwefelung vereinfachen. Auch kann man das Teillastverhalten des Gasturbinenteils der Einrichtung weiter dadurch verbessern, dass man zwei oder ggf. drei Gasturbinen als Register betreibt.
Variationen sind auch im Bereich der SOFC-Brennstoffzelle denkbar. Bevorzugt wird hier zwar eine Ausführung mit tubularen Röhren, aber die Verwendung von Flachröhren ist denkbar. Auch kann man beim Betrieb der Brennstoffzelle über den oben genannten Druck von 10 bar hinausgehen.
Wichtig ist, dass für die erfindungsgemäße Lösung eine robuste Bauart einer Brennstoffzelle in Gestalt einer SOFC gewählt werden kann, da dieser Typ nicht auf maximale Brennstoffausnutzung getrimmt werden muss. Denn alles in dem elektrochemischen Prozess in der Brennstoffzelle nicht verbrauchte Brenngas wird in der nachgeschalteten Gasturbine verbraucht.

Claims

Mobile Stromversorgungseinrichtung (10), insbesondere zur Bordstromversorgung von Schiffen oder anderen Fahrzeugen, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Kombination einer unter Hochdruck betriebenen SOFC Brennstoffzelle (20) und einer der Hochdruckerzeugung dienenden, mindestens mit dem Abgas der Brennstoffzelle und ggf. mit Zusatzbrennstoff betriebenen Gasturbine (12), durch einen von dieser Gasturbine angetriebenen Generator (18) sowie dadurch, dass die elektrische Ausgangsleistung des von der Gasturbine angetriebenen Generators ein mehrfaches der elektrischen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle beträgt.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die SOFC-Brennstoffzelle mit Brennstoffüberschuss betrieben wird und der die Brennstoffzelle verlassende Restbrennstoff ganz oder teilweise dem Betrieb der Gasturbine bis hin zu deren Volllastbetrieb dient.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ausgangsleistung des von der Gasturbine angetriebenen Generators etwa das neunfache der elektrischen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle beträgt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 3 dadurch gekennzeichnet, dass der vom Kompressor der Gasturbine erzeugte Ladedruck 3 bis 10 bar beträgt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 4 dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzelle und Gasturbine mit gasförmigem Dieselbrennstoff betrieben werden und die verbleibende Prozesswärme der Einrichtung einem Dieselreformer zugeführt wird.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle in tubolarer Bauweise ausgeführt ist.