View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2 Anlagentechnischer Überblick
Prozesssimulationen vollständiger SOFC-Anlagen, die auf stationären Komponentenmodellen
basieren, sind bereits weit entwickelt. Vielfach werden sie zur thermodynamischen Analyse von
Hybridsystemen mit SOFC und nachgeschalteter Gasturbine eingesetzt, etwa in [25-29].
Dynamische Simulationen von SOFC-Systemen für die Kraft-Wärme-Kopplung sind deutlich
weniger verbreitet. Ein Teil der vorhandenen Studien beschäftigt sich mit der Anbindung von
SOFC-Systemen an das Stromnetz und daraus resultierenden Beeinflussungen des Netzes.
Die zweite Gruppe der dynamischen SOFC-Anlagensimulatoren betrachtet die systemtechnischen
Komponenten und ihre Wechselwirkungen.
2.3.1 Dynamische Simulation der Netzanbindung
Der Schwerpunkt der Arbeiten zur dynamischen Simulation der Netzanbindung von SOFC-Systemen
liegt auf der Modellierung des Wechselrichters und anderer Komponenten der Leistungselektronik.
Die in der Literatur bekannten Arbeiten beschränken sich in der Regel auf diesen
Teil des Gesamtsystems. Üblicherweise berücksichtigen die Simulationsmodelle lediglich eine
mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle und vernachlässigen alle restlichen Systemkomponenten
einschließlich der Brenngasbereitstellung. Die verwendeten Simulationswerkzeuge sind
PSS/E [30] oder Mat/ab/Sirnulink [31-35]. Die Brennstoffzelle wird in diesen Arbeiten über einfache
Kennlinien bei homogener konstanter Zelltemperatur beschrieben. Die Trägheit der Zelle
wird oft über Verzögerungsglieder erster Ordnung mit Zeitkonstanten im Sekundenbereich angenähert
[31, 32]. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Brennstoffzelle wirksam den
Lastgang in einem Niederspannungsnetz unterstützen kann [30]. In Kombination mit parallel
betriebenen Gasturbinenanlagen können SOFC-Systeme bei geeigneter Leistungselektronik
und Regelung auch zur Stabilisierung eines Mittelspannungsnetzwerkes bei Störfällen etwa
nach Kurzschlüssen beitragen [33-35].
Wesentlich detaillierter ist eine Arbeit, in der vorrangig das dynamische Verhalten der Leistungselektronik
eines bei 1000 °c betriebenen, tubularen SOFC-Systems untersucht wird [36].
Neben einem ortsaufgelösten Brennstoffzellenmodell werden zusätzlich weitere Systemkomponenten,
etwa zur Brenngasaufbereitung und -nachbehandlung, berücksichtigt. Brennstoffzelle,
Systemkomponenten sowie Leistungselektronik werden in unterschiedlichen Programmen wie
Fern/ab, Visua/ Fortran, gPROMS und Saber Designer simuliert. Die Simulation des Gesamtsystems
wird von der Software iSight koordiniert. Die Untersuchungen zeigen, dass durch die
Leistungselektronik bedingte zyklische Stromänderungen mit Schaltzeiten unter 1 ms keine
Auswirkungen auf das Verhalten der SOFC besitzen. Lastwechsel über längere Zeiträume führen
dagegen zu deutlichen Veränderungen im Temperaturprofil der Zelle. Für einen isoliert betriebenen
Wärmeübertrager wird in dieser Arbeit darüber hinaus eine Berechnung des Aufheizverhaltens
gezeigt.
2.3.2 Dynamische Simulation des Gesamtsystems
Es existieren mehrere Veröffentlichungen über dynamische Simulationsmodelle, die das Gesamtsystem
sowie die gegenseitige Beeinflussungen der Systemkomponenten als Schwerpunkt
haben.
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