View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

6 Dynamische Simulation des Gesamtsystems
6.1.4.3 Bewertung des Lastwechselverhaltens
Lastreduzierungen durch Absenken der Betriebsstromdichte bewirken eine Temperaturerhöhung
im Abgasstrom, die auf die zur Laständerung benötigte leit begrenzt ist. Die Ursache für
dieses Phänomen liegt darin, dass im Moment der Lastreduzierung zunächst ein Brenngasüberschuss
in der Brennstoffzelle vorliegt, der an den Nachbrenner weitergegeben wird und dort die
Verbrennungstemperatur erhöht. Kritisch ist dies lediglich für sehr schnelle sowie sehr große
Reduzierungen der Stromdichte, da in diesem Fall eine besonders deutliche Temperaturspitze
im Nachbrenner auftritt, die gegebenenfalls auch die zulässige Materialtemperatur von 950 oe
überschreiten kann. Aufgrund der thermischen Trägheit des Nachbrenners wirkt sich dieser
Effekt jedoch selbst in ungünstigen Fällen kaum auf die mittlere Temperatur dieser Komponente
aus.
Deutliche Temperaturänderungen der SOFe sowie der anderen Komponenten nach einer Lastreduzierung
stellen sich erst nach wesentlich größeren leitkonstanten im Bereich von einer halben
Stunde und länger ein. Um ein Auskühlen des Systems zu vermeiden, muss möglichst bald
nach dem Lastwechsel die Luftmenge reduziert werden. Der Wechsel in den Niedriglastbereich
mit Stromdichten kleiner als 25 % der Nennlaststromdichte lässt eigentlich ein Auskühlen insbesondere
der SOFe befürchten, da diese in diesem Betriebsbereich auch aufgrund ihres hohen
lellwirkungsgrades kaum Abwärme generiert. Nach den Simulationsergebnissen ist ein stabiler
Anlagenbetrieb dennoch möglich, da in diesem Lastbereich ein Wärmeeintrag in die SOFe über
den Luftvorwärmer erfolgt.
Grundsätzlich lässt sich sagen, dass die Reduzierung der Stromdichte in den Teillastbereich
ohne Verzögerung möglich ist und somit einen weitgehend unkritischen Betriebszustand darstellt.
Eine Lasterhöhung gestaltet sich demgegenüber deutlich schwieriger, da im Moment einer erhöhten
Stromdichteanforderung nicht zwangsläufig auch eine ausreichende Brenngasmenge in
der SOFC zur Verfügung steht. Sofern die sich ergebende Brenngasnutzung unterhalb der zulässigen
Grenze bleibt, sind auch Lasterhöhungen praktisch ohne leitverzögerung durchführbar.
Große und schnelle Erhöhungen der Stromdichte erfordern jedoch eine besonders schnelle
Brenngasbereitstellung. Die dafür zulässigen Regel- und Verweilzeiten für das Brenngas, die
allgemeingültig für jede beliebige Lasterhöhung rechnerisch bestimmt werden können, liegen
allerdings in der Regel deutlich unter einer Sekunde und sind damit meist zu kurz. Die Dynamik
des SOFC-Systems ist somit nicht für alle Anwendungen geeignet. So ist der Inselbetrieb ohne
Energiepuffer oder Netzanschluss mit einem solchen System nicht ohne weiteres möglich. Eine
Ausnahme bildet eine Betriebsweise, bei der vor der Lasterhöhung eine entsprechende Absprache
zwischen Verbraucher und System erfolgt, um rechtzeitig genügend Brenngas bereitzustellen.
Die elektrischen Wirkungsgrade des SOFe-Systems reichen von rund 44 % im Überlastbetrieb
bis zu 54 % bei niedriger Last. Umgekehrt verhalten sich die thermischen Wirkungsgrade, die
im Maximum der untersuchten Betriebspunkte 26 % erreichen.
122