Brennstoffzellen-Systeme V-02; 16-05-2011€¦ · 2 Brenstoffzellentechnik V-02-16-05-2011 No. 4 Dr...

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V-02-16-05-2011

Brennstoffzellen-SystemeV-02; 16-05-2011

Prof-Dr Kabelac, Dr Gerd Würsig

www.gl-group.com/tuhh

V-02-16-05-2011Brenstoffzellentechnik No. 3Dr Gerd Würsig

Brennstoff

Brennstoff,AIP

Blei-batterien

Verbraucher,Antrieb etc.

Diesel Motor Generator

AIP

Sauerstoff

Außenluftunabhängige Antriebe“Air Independent Propulsion (AIP)”

BZ-System, HDW Kosten U-Boot:ca. 400 Mio €;Kosten BZ-System:unterer % Bereich der U-Bootkosten

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1. Air Independent Propulsion (AIP) Systems (Hellmuth Walter designed U-2540)

U-793 (1944): - Type 17G test submarines,- approx 4 MW AIP („Walter-System“)

U-2540 (1944) „Wilhelm Bauer“:- One of 123 Type XXI submarines,- Diesel (3 MW), battery.- Used 1970/1981 by German Navy

(GL inspected and surveyed)

Hydrogen Peroxide (H2O2): the fuel which does not need any Liquid Oxygen (LOX)


Today’s AIP-Systems• NSW-Emden: Closed Cycle Diesel (CCD)• HDW-Kiel: Fuel - Cell System (FC)• CN: Steam Turbine - System (ST)• Kockums: Stirling Engine (SE)

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Submerged Cruising Range: Conventional versus AIP

0% 50% 100%

Battery operation only

Submerged Speed [%]

Submerged Cruising Range [%]

AIP-System + Battery


Beispiel Komponentenanordnung im PKW

Bildquellen: TÜV-Süd

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Citaro BZ-Hybrid, Stufe 2Citaro BZ, Stufe 1

4 Jahre, 4.000 Std. 6 Jahre, 12.000 Std.180 bis 200 km > 200 km, profilabhängig

ca. 20 kg/100km < 20 kg/100km< 70 Fahrgäste > 70 Fahrgäste

auf "Diesel-Niveau" auf "Diesel-Niveau"Zentralmotor elekt. Radnabe

mechan. Nebenantriebe elektr. Nebenantriebenicht vorhanden LiIon-Batterie

FahrleistungPackaging

EnergieeffizienzEnergiespeicher

Lebensdauer BZ-SystemReichweiteVerbrauch

Fahrgastkapazität


Dieselmotor E-Antrieb Energiespeicher

E-Antrieb EnergiespeicherBrennstoffzelle

Hybrid-Strategie

Dieselhybridsysteme bereiten technologisch den zukünftigen Markt für Brennstoff-zellenbusse vor

Weitgehend gleiche Komponenten reduzieren die Kosten für die Emissionsreduktion

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Nebenaggregate 2 Fahrumrichter 2 Fahrumrichter

2 Radnabenmotoren

Dachklimaanlage

AdBlue-TankDiesel-Tank 2 Radnabenmotoren

GeneratorDieselmotor

Li-Ion Batterie

Diesel-Hybridbus

Prototypen von Dieselhybridbussen aktuell bei Herstellern in der Marktvorbereitung

Erste Vorserienfahrzeuge kommen bei HOCHBAHN ab 2009 zum Einsatz

Erwartete Verbrauchsreduktion bis zu 30% im Stadtverkehr


Brennstoffzellenmodule

H2-Behälter Nebenaggregate 2 Fahrumrichter 2 Fahrumrichter

2 Radnabenmotoren

Dachklimaanlage

2 Radnabenmotoren

Li-Ion Batterie

Brennstoffzellen-Hybridbus

Modulares Fahrzeugkonzept erlaubt späteres Hinzufügen eines Brennstoffzellenantriebs sowie der Wasserstoffbehälter

Entfall von Diesel Tank, Adblue Tank, Dieselmotor und Generator erlaubt noch fahrgast-orientiertere Gestaltung des Innenraums und nennenswerte Absenkung der Geräusche

Neue Anforderungen an Wartung, Sicherheit etc. durch elektrischen Hybridantrieb (Hochvolt etc.)

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ZEMSHIP Project100 kW vessel “Alsterwasser”

launched 2008-08-29


ZEMSHIP project:principal schematic diagram of propulsion system

Electric engine

100 kW

12 hydrogen-storagetanks

50 kg H2 at 350 bar

Buffer battery

560 V, 360 Ah2 Proton Motor

fuel-cell systems

„PM Basic A 50 maritime“,

48 kW eachSource: Schiffstechnik Buchloh

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V-02-16-05-2011 Brenstoffzellentechnik© Proton Motor 2007 15

Why hybrid solutions?

load of fork lift truck:

P [kW]

t [s]

accelerationcontinues drivebraking

vehicle base load

maximum load

V-02-16-05-2011 Brenstoffzellentechnik© Proton Motor 2007 16

Why hybrid solutions?

load of fork lift truck:

P [kW]

t [s]

leveled load

E = ∫ P(t) dt

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Data Base for Simulations:Measurement of total energy consumption

The FerryLength, Breadth 166.3, 28.4 mService speed 21 knMain Engines 19800 kWAuxiliary Engines 5900 kW

The Container FeederLength, Breadth 137.5, 21.3 mService speed 18.5 knMain Engines 8400 kWAuxiliary Engines 1232 kW

Kronprins Harald(Color Line) Tatiana (built by Sietas Yards)

More than 50 sensors measured for more than one year:propulsion, electrical, thermal demand


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0MW

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

%

Load duration curve of Generator power (Ferry - one week)

0.9 MW

2.97 MW

Pow

er [M

W]

Time [%]

2.0 MW

FC

GT

installed auxiliary power: 5900 kW

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Welche BZ, welcher Brennstoff für welche Anwendung?

BZ-Systeme für Schiffe

Wasserstoff

LNG, Diesel, LPG, Methanol


• PEM • CO empfindlich, begrenzte Lebensdauer (auch Brennstoffabhängig) • Wasserstoff als idealer Brennstoff• begrenzte Betriebszeiten während des Lebenszyklus

• MCFC • CO verträglich, hohe Lebensdauer • Kohlenstoff enthaltende Brennstoffe (auch flüssige Brennstoffe)• Dauerbetrieb über lange Zeiten

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FC Type Electrolytespecific weight kg/kW

specific volume m**3/kW

CO tolerance

CO2 toleran

ce

Cl tolerance

in air

S tolerance

(COS, H2S)

efficiency % (net electric, reformer

included)

SOFCzirconium

dioxide ceramic

105,5 0,55 yes yes < 0,1 ppm < 1 ppm45 to 72 (upper

value for cogeneration)

MCFCmolten

potassium/lithium carbonate

60 0,15 yes yes < 0,1 ppm < 1 ppm45 to 60 (upper

value for cogeneration)

PAFC phosporic acid 136 0,38 1 to 5 % Vol yes 0,05 ppm 50 ppm 37 to 42

PEM polymer membrane x 0,18 1 to 100

ppm yes x 1 ppm 38 to 40

AFC (air/H2) potassium hydroxide x 0,25 no no unknown no

40 to 55 (upper value without

reformer)

Gasturbine - 0,17 to 1,3 0,001 to 0,005 yes yes

< 0.01 ppm

(NaCl) suction air

13000 ppm

30 to 60 (upper value for

cogeneration)

heavy fuel Diesel

- 10,51 to 46,00

0,01 to 0,09

yes yes yes 50000 ppm

40 to 53 % (shaft)

specific weight, volume reformer approx 0,13 m**3/kW, 46 kg/kW

Table: Basic design parameters of stationary FC-Systems and common ship propulsion tech


Table 1.1: Efficiency Potential

current satus target current satus target current satus target current satus target

Efficiency Potential

34 to 50 % (upper value:

hydrogen)40 to 50% 40 to 46% 40 to 50 % 47 to 50% 65 to 73% 45 to 55% 72 to 80%

Power range < 1 kW to 250 kW 250 kW 200 kW to 5 MW 50 kW to 500 kW 300 kW to 2 MW 100 kW to 5 MW 1 kW to 1000 kW above 100 MW

Exhaust gas temp.

< 100 °C (most cases 80°C) > 100 °C 200 to 250 °C 200 to 250 °C 400°C 450°C 850°C 600 to 800 °C

Fuelsnatural gas, hydrogen, methanol

natural gas, gasoline, methanol

natural gasnatural gas, LPG, LNG, methanol

natural gas

nat. gas, bio-gas, garbage-gas, ind. off-gas, methanol, oil

natural gas

nat. gas, bio-gas, garbage-gas, ind.

off-gas, methanol,oil

Service life 4500 to 8000 h 5000 to 20 000 h 20 000 to 40 000 h 40 000 h > 20 000 h 40 000 h 60 000 h 40 000 h

Operational behaviour

Start up time 2 min to 2 h < 1 min to 2 h 2,5 to 4 h < 4 h 300 kW system 20 h 2,5 to 4 h 320 kW system:

28 h

< 200 K/h ---> > 5 h for power plants;

small systems: < 2 min

PE-FC PA-FC MC-FC SO-FC

stack responds directly to fuel flow, response time only depends on

reformer

CO2 supply to catode is limiting the response time, reported minimum

load 25%

direct response to fuel gas flow; reformer behaviour dominates FC

response time

direct response to fuel gas flow; reformer behaviour dominates FC

response time

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Potential for very high electric efficiency

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

100 1 000 10 000 100 000 1 000 000Electric Power [kW]

Elec

tric

Effi

cien

cy

Steam Turbine

Ship Engines

Gas Turbine

Fuel Cell Systems

Combined Gas- / Steam Turbine

CurrentStatus


FC-Systems: Significant Reduction of Air Pollution from Ships Operation

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

Motor (eta=42%; HFO 1 %S)

FC (eta=45%; MGO < 0,2%S)

FC (eta=55%; Hydrogen (H2))

Type of Energy Conversion

g/kW

hel

NOx g/kWh CO g/kWh HC g/kWh

0,000,010,020,030,040,050,060,070,08

FC (eta=45%; MGO < 0,2%S)

FC (eta=55%; Hydrogen (H2))

Type of Energy Conversion

g/kW

hel NOx=0

CO=0HC=0

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Welcher Brennstoff für welche Anwendung

BZ-Systeme für Schiffe

Wasserstoff

LNG, Diesel, LPG, Methanol


Welche BZ-Systeme braucht die Berufsschifffahrt

BZ-Systeme ca. 300 bis 500 kW Modulleistung

Antrieb und Hilfsbetrieb, durch BZ-Systeme

Niedrige Gesamt Leistungen bis 500 kW. (kleine Fähren, Sportboote etc.)

Mittlere Gesamtleistungsbedarf (1-5 MW) (Fähren, Schlepper, Behördenfahrzeuge)

Antrieb und Hilfsbetrieb durch BZ-Systeme (mehrere Module)

Hoher GesamtleistungsbedarfHilfsbetrieb mit BZ-Systemen (1-5 MW) (eine Vielzahl von Seeschiffen)

Hilfsbetrieb durch BZ-Systeme (mehrere Module)

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European R+D Project 2002/2004

Case Ship 1Substitution of 3 MW auxiliary power forRoPax Ferries fueled with Diesel or LNG

Feasibility Study FCSHIP: FC-Systems for Commercial Shipping

„Olympia Palace“, GL-094668


Fig. 6: ROPAX Case study ship (Wärtsilä, Fincantieri)

MDO MDO

FC Stacks

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E4ships – BZ-Systeme für den maritimen EinsatzNIP Vollversammlung 2010-03-25, Berlin

25.03.2010 35Dr. Würsig, GL – NIP Vollversammlung

Herausforderungen in der Seeschifffahrt

Mögliche Verdopplung der CO2‐Emission, die durch Welthandelsflotte verursacht werden bis 2050.

Verbesserung der WirkungsgradeEinführung von Gas als Kohlenstoff armen Brennstoff

Die Zeit preiswerter Brennstoffe ist vorbeiDie Treibstoffkosten steigen kontinuierlich.

Die Zeit sauberer Brennstoffe ist gekommen(IMO ECA und SECAs‐Zonen)

High‐Tech Schiffbau in Deutschland braucht Innovationen zur langfristigen Sicherung von Arbeitsplätzen

→ Innovative Energietechnik in Deutschland entwickeln!

→ Weltweit neue Standards setzen!

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Leuchttum e4ships

Projektstart 01.07.2009Ziel: Emissionsminderung im Hotel‐ und Hafenbetrieb. Strom‐, Wärme‐,Kälteversorgung. Fähr‐, Kreuzfahrt‐, Yacht‐, Forschungs‐ und Handelsschiffe.Brennstoffe: , XTL, LNG, LPG, H2.


e4ships - Projektstruktur

PaXell (MW,FL,FSG)Passagierschiff

• FuE, Marinisierung• KWKK mit MCFC• Dezentralisierung• Demonstration

SchIBZ (TKMS)Yacht, Spezialschiffe

• FuE, Marinisierung• KWK mit MCFC • XTL-Diesel• Demonstration

AP SicherheitAP ManagementAP Technik

Synergiemodul Toplaterne

Bewilligt und

Gestartet

(2009-06-01)LoI und gestartet

(2009-06-01)

Demonstrationsvorhaben

LoI und gestartet

(2009-11-01)

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Synergiemodul Toplaterne

AP 1 Technik1.1 Brennstoffzellenbetrieb1.2 Brennstoffzellenintegration

AP2 Sicherheit2.1 Vorschriften2.2 Standards2.3 Qualität

AP 3 Management3.1 Projektmanagement3.2 Informationsmanagement


ScHIBZSchiffs-Integration-Brennstoff-Zelle

BZ: MCFC System von MTU OnsiteEnergyBrennstoff: Synthetischer, schwefelfreier Dieselkraftstoff („x“TL) (Total)Gasbereitstellung: Diesel-Reformer (EVT, OWI)Landtest bei TKMSSeeerprobung auf MS Cellus der Reederei Rörd BrarenStromeinspeisung in Bordnetz: Inverter von Imtech Marine Germany Sicherheitstechnik: Germanischer LloydWissenschaftliche Begleitung durch Institut für Thermodynamik der Helmut Schmidt Universität, Hamburg

BZ Lastenheft in Bearbeitung, Testreformer fertig gestellt (5 kW), E-System ausgelegt

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Pa-X-ell - Projektziel

BZBZ

BZ

BZ

BZ

BZ BZ

BZ

BZ

BZ

BZ

Umsetzungsstufe 1

Umsetzungsstufe 2

Umsetzungsstufe 3 & 4

BZ

BZ

BZ = Brennstoffzelle

Mindestleistung BZ 500 kW pro Modul


Gesamtenergetische Untersuchung (Strom / Wärme)

Pa-X-ell - Projektstand 1. Umsetzungsstufe

BrennstoffzelleMTU (neues hot module)

thermische Verwertung

elektrische Verwertung

BrennstoffLNG / LPG

Luft

Modul

Konzeptentwicklung und Konstruktion

Lastenheft und Layout

Tank- und Systementwicklung

NetzuntersuchungSystemkonzept

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Potentiale für BZ-Systeme zur Hilfsenergiebereitstellung auf zivil genutzten Seeschiffen

Erste Märkte BZ-Systeme (GL Marktsudie BZ-Systeme für zivile genutzte Seeschiffe, 2010):

Behördenfahrzeuge: Forschungsschiffe, Zoll, PolizeiKreuzfahrtschiffe, Fähren, Megayachten, Container Feeder (bis ca 1800 TEU)

MarktpotentialHandelsschiffe: Neubauten ca. 3.000 Schiffe/a (Handelsflotte: 90.000 Schiffe, Lebensdauer 30 Jahre)Annahme: 10% können BZ-Systeme nutzen 300 ships/aMindestleistung für Hilfsbetrieb 2 MW/Schiff 600 MW/aZahl benötigter 500 kW BZ-Systems 1200 pro Jahr


WirtschaftlichkeitsvergleichBZ - Dieselmotor

• Vergleich Dieselmotor – Brennstoffzelle

• Wann kann die BZ mit einem Dieselmotor konkurrieren?

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2010-05-07ErgebnispräsenationMarktstudie "Brennstoffzellen-Systeme in der Seefahrt", GL HO No. 442010-05-07ErgebnispräsenationMarktstudie "Brennstoffzellen-Systeme in der Seefahrt", GL HO No. 44

Wirtschaftlichkeitsvergleich BZ-Dieselmotor - Grunddaten

• Vollast-Betriebsstunden: Diesel 7000 h/a; MCFC 8000 h/a (MCFC für die reine Grundlast, Diesel bei 85% Nennleistung)

• Wirkungsgrade: MCFC 50 bis 55 %; Diesel: 40 und 42% (unterer Wert 500 kW, oberer 1000 KW elektrisch)

• Kapitalkosten (für 500 und 1000 kW): • MCFC: 2006 ca. 6.670 €/kW, 2020 ca. 1.750 €/kW (gemäß BWK-Studie 12-

2007); Abzug von 250 €/kW wg. vorhandener Schiffsinfrastruktur, Grenzkosten bei 1.250 €/kW

• Diesel: 250 €/kW; konstant, da mit Investment zu Schadstoffreduktion zu rechnen ist.

• Brennstoffkosten: 2008 mit 500€/t angesetzt, 3 % Steigerung pro Jahr


Wirtschaftlichkeitsvergleich BZ-Dieselmotor - Grunddaten

• Abschreibung: 10 Jahre• CO2 Abgabe ab 2013, Beginn mit 45 €/t Brennstoff,

Steigerung um 16 €/t bis 2017, ab 2017 11 €/t• Spezifische Gewichte: Motoren ca. 10 bis 12 kg/kW,

MCFC ca. 60 kg/kW (heutige nicht optimierte Systeme)• Wartungskosten

• BZ-Wechsel: alle 5 Jahre, Kosten 30 % der Investitionskosten• - Motorwartung: alle 30.000 h, 80 % der Investitionskosten

- Motor mit SCR: 155 €/kW zusätzliches Invest und Betriebskosten für Natronlauge (gemittelt 100-400 €/t)

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Kostenreduktion Investitionskosten MCFC - Dieselgenerator

Annahmen zu Investitionskosten

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

2006 2011 2016 2021 2026 2031Jahre

€/kW

MCFC, Investm., €/kW, MTU Statement ew Investm., Motor, €/kWMCFC, Investm., €/kW, BWK


Vergleich Investmentkosten Generatorsatz und MCFC

bei 10 % Kapitalverzinsung

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

2006 2011 2016 2021 2026 2031Jahre

€/kW

h (e

lekt

risch

e N

etto

leis

tung

)

Gesamtkosten 500 kW Motor, €/kWh Strom Gesamtkosten 1000 kW Motor, €/kWh StromGesamtkosten 500 kW MCFC, €/kWh Strom, MTU Statement ew Gesamtkosten 1000 kW MCFC, €/kWh Strom, MTU Statement ewGesamtkosten 500 kW MCFC, €/kWh Strom, BWK Gesamtkosten 1000 kW MCFC, €/kWh Strom, BWK

Vergleich spezifischer Kosten10% Kapitalverzinsung, konstanter Brennstoffpreis

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Vergleich spezifischer Kosten10% Kapitalverzinsung, 3% Brennstoffpreissteigerung/a

Vergleich Investment- und Brennstoffkosten Generatorsatz und MCFCbei 10 % Kapitalverzinsung und 3 % Brennstoffkostenanstieg pro Jahr

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

2006 2011 2016 2021 2026 2031Jahre

€/kW

h (e

lekt

risch

e N

etto

leis

tung

)



Vergleich Investment- und Brennstoffkosten Generatorsatz und MCFC

bei 10 % Kapitalverzinsung und 3 % Brennstoffkostenanstieg pro Jahr inkl. CO2-Kosten

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

2006 2011 2016 2021 2026 2031Jahre

€/kW

h (e

lekt

risch

e N

etto

leis

tung

)


Vergleich spezifischer Kosten10% Kapitalverzinsung, 3% Brennstoffpreissteigerung/a, inkl.

C02-Abgabe

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inkl. CO2-Kosten und Wartung

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

2006 2011 2016 2021 2026 2031Jahre

€/kW

h (e

lekt

risch

e N

etto

leis

tung

)

Gesamtkosten 1000 kW Motor, €/kWh Strom + WartungGesamtkosten BZ 1000 kW, 10% Kap, 3 % Fuel, Wartung [ew]Gesamtkosten BZ 1000 kW, 10% Kap, 3 % Fuel, Wartung [bwk]Gesamtkosten 500 kW Motor, €/kWh Strom + WartungGesamtkosten 500 kW MCFC, €/kWh Strom, BWK + WartungGesamtkosten 500 kW MCFC, €/kWh Strom, MTU Statement ew + Wartung


C02-Abgabe und Wartungskosten



inkl. Wartung

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

2006 2011 2016 2021 2026 2031Jahre

€/kW

h (e

lekt

risch

e N

etto

leis

tung

)

Gesamtkosten 500 kW Motor, €/kWh StromGesamtkosten 500 kW MCFC, €/kWh Strom, MTU Statement ewGesamtkosten 500 kW MCFC, €/kWh Strom, BWKGesamtkosten 500 kW Motor, €/kWh Strom + WartungGesamtkosten 500 kW MCFC, €/kWh Strom, BWK + WartungGesamtkosten 500 kW MCFC, €/kWh Strom, MTU Statement ew + Wartung


Wartungskosten

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