SOFC -Systementwicklung

APU-System für synthetische Kraftstoffe

Während im Bereich der Energiewirtschaft durch den Einsatz von Windkraft, Photovoltaik u.a. eine Reduzierung der Kohlendioxidemissionen bereits erreicht werden konnte, ist die emittierte Menge an CO2 aus dem Verkehrssektor in den letzten Jahren nahezu konstant geblieben bzw. hat sich sogar weiter erhöht.

Auch in der Zukunft wird es Nischenanwendungen geben in denen eine direkte Elektrifizierung wie bei batterieelektrischen PKW nicht möglich ist, sondern die flüssige Kraftstoffe benötigen wie der Flug- und Schwerlastverkehr, spezielle Bau- und Großmaschinen sowie ein Teil des Bahnverkehrs. Der Anteil elektrifizierter Eisenbahnstrecken in Deutschland betrug im Jahr 2017 lediglich 60 %. Große Flächenstaaten wie die USA oder Kanada haben noch deutlich geringere Anteile elektrifizierter Strecken von teils unter 10 %. Für den Verkehrssektor sind deswegen synthetische, CO2-neutrale Kraftstoffe (E-Fuels) eine vielversprechende Lösung.

Im Rahmen des »ESyRE«-Projekts wurde eine effiziente Prozesskette zur Synthese und Rückverstromung von synthetischen Kraftstoffen über SOFC-Brennstoffzellen untersucht. Die Erzeugung des synthetischen Kraftstoffs kann dabei wird über Hochtemperatur-Elektrolyse in einem Power-to-Liquid-Prozess für die Verwendung in Motoren erfolgen.

Die Rückverstromung des synthetischen Kraftstoffs erfolgt in einem Brennstoffzellensystem (SOFC-APU). Neben CO2-emissionsfreier Kraftstofferzeugung kann somit auch eine Effizienzsteigerung im Gesamtverbrauch des Schwerlastverkehrs und im Beispiel von Diesellokomotiven eine deutliche Reduzierung der CO2- und Schadstoffemissionen erreicht werden.

Für SOFC-APU-Systeme wurde trotz zahlreicher positiver Ansätze im Bereich Reformer und SOFC-Stack, sowie durchgeführter Entwicklungsprojekte bis heute weltweit, abgesehen von einigen Labor- und Versuchsmustern im Rahmen von Forschungsprojekten, noch kein industrietaugliches Diesel-SOFC-System realisiert.

Davon ausgehend befasste sich die EBZ in diesem Forschungsvorhaben mit der Auslegung, dem Aufbau und demTest eines 5 kWel APU-SOFC-Systems einschließlich seiner Komponenten und Teilsysteme. Zielstellung war zunächst ein Betriebsfenster für die einzelnen Baugruppen und das Gesamtsystem zu definieren, um einen robusten, sicheren und effizienten Betrieb zu ermöglichen. Dazu erfolgten zunächst die experimentelle Charakterisie-rung und eine Optimierung der Komponenten und Baugruppen für nachfolgend aufzubauende Versuchs- und Feldtestmuster. Es folgte der Aufbau eines 5 kWel Versuchsmusters. An diesem erfolgte die Entwicklung und Erprobung von Betriebsstrategien für das Gesamtsystem und die Ermittlung der Einsatzgrenzen. Anschließend wurden die Ergebnisse aus den Labortests so umgesetzt, dass noch erkennbare Fehler durch Weiterentwicklung der Baugruppen beseitigt, sowie durch bessere Integration eine vertretbare Größe erreicht werden kann.

Auf dieser Basis kann ein systemtechnisch integriertes vollautomatisiertes Versuchsmuster aufgebaut werden, dass für einen Feldtesteinsatz nutzbar ist. Nach Charakterisierung und Optimierung eines solchen Systems kann es in einen Dieseltriebzug / Diesellokomotive integriert und betrieben werden.

Diese Entwicklungen wurden im Rahmen eines kooperativen Forschungsprojektes unterstützt.

Projektname: Effiziente Synthese und Rückverstromung von E-Fuels: ESyRE

Förderkennzeichen: 03EN5003C

Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH (PT-J.ESN5)

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Projektzeitraum: 01.02.2021 bis 31.07.2023