Dynamische Modellierung und Regelung eines Festoxidbrennstoffzellensystems SOFC

Veröffentlicht am von Prof. Dr.-Ing. HOLGER WATTER

Die HOCHSCHULE FLENSBURG bedankt sich für das entgegengebrachte Vertrauen, das Promotionsverfahren von Dr. DANIEL JANSEN an der TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DRESDEN und dem FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME (IKTS) gutachterlich begleiten zu dürfen.

1. Proud to be part of the game!

DANIEL JANSEN hatte bis 2014 an der HOCHSCHULE FLENSBURG Schiffsbetriebstechnik studiert. Hier fiel er bereits durch seinen sehr präzisen wissenschaftlichen Arbeitsstil und seine Neugier an aktuellen ingenieurwissenschaftlichen Fragestellungen auf. Seine Abschlussarbeit zum Thema „Anforderungen an eine Power-to-Gas-Anlage für den Offshore-Einsatz mit einer Anschlussleistung von 240 MW“ [1] durfte er daher auf der Tagung  „Students meet Industry 2014“ der SCHIFFBAUTECHNISCHEN GESELLSCHAFT (STG) in Bremen präsentieren [2]. Die Ergebnisse der Arbeit gingen als Teil von Kap. 9.3.1 zu den Projektbeispielen in die 5. Auflage des Lehrbuches REGENERATIVE ENERGIESYSTEME – GRUNDLAGEN, SYSTEMTECHNIK UND ANALYSEN AUSGEFÜHRTER BEISPIELE NACHHALTIGER ENERGIESYSTEME ein [3].

2. Zielstellung

In der vorliegenden Arbeit geht es um die Entwicklung der Steuerung und Regelung von internen Prozessgrößen einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) der Firma ROBERT BOSCH GmbH aus Stuttgart. Da nicht alle Größen innerhalb der Brennstoffzelle mit wirtschaftlichem Aufwand beobachtet werden können, kommt ein optimaler Zustandsschätzer (KALMAN-Filter) zur Anwendung. Zur Auslegung und Analyse der Filtereigenschaften sind umfangreiche Parameterstudien notwendig. Die Dissertationsschrift beschreibt die Problemstellung, den methodischen Ansatz, das mathematische Modell sowie die Vorgehensweise bei der Parametervariation und die Begründungen zu der Parameterauswahl. Die fachliche Begleitung erfolgt durch das FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME (IKTS) [4].

3. Bewertung

4. Danksagung

Die Begutachtung der Dissertationsschrift MSc Daniel Jansen zeigte mehrfach ein persönliches akademisches Déjà-vu:

  • 1993 – also vor exakt 30 Jahren – führte die eigene Dissertation [5] in die Betrachtungen von Zustandsräumen, optimale Zustandsbeobachter und Regelungsstrategien bei gestörten oder verrauschten Messungen sowie Fragen zur Beobachtbarkeit, Steuerbarkeit und suboptimalen Lösungsstrategien zum Filteralgorithmus ein. Die Lektüre der vorliegenden Arbeit erinnerte an komplexe und abstrakte Beschreibungsformen – quasi als „Jungbrunnen“ oder als „Zeitmaschine“ zu eigenen akademischen Meilensteinen.
  • 2003 – also exakt vor 20 Jahren – die Erinnerung an das BMBF/AIF-Projekt: „Entwicklung und Systemintegration von hocheffizienten Gasturbinen-Brennstoffzellen-Kombianlagen an Bord von Schiffen (SOFC-GT)“ [6] sowie
  • 2010 die anfängliche Begleitung und Projektinitiierung im Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) „Brennstoffzellen im maritimen Einsatz – E4Ship“ für die HAW Hamburg – eine Überleitung an die Hochschule Flensburg war leider nur begrenzt möglich. Schwerpunkt der beiden Projekte war insbesondere die Anpassung von Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen (SOFC) an die dynamischen Zusatzlasten und robusten Bedingungen an Bord von Seeschiffen. Erkenntnisse aus den Projekten sind teilweise in die Entwicklung von Vorschriften und Richtlinien sowie Fachbuchveröffentlichungen [7] eingeflossen.
  • Seit 2013 – also seit ca. 10 Jahren: Insbesondere LNG als Schiffsbrennstoff (mit seinen speziellen Eigenschaften [10]) hat in den zurückliegenden 10 Jahren eine äußerst dynamische Entfaltung und Bewährung im praktischen Schiffsbetrieb [11] zeigen können. Für die Hochschulen für angewandte Wissenschaften sind Projekt- und Abschlussarbeiten auch zu betrieblichen Problemen und deren Lösungen ein wichtiges und unverzichtbares Profilelement zur Weiterentwicklung der eigenen Kompetenzbereiche [12].
  • Last, but not least: 2014 – vor fast 10 Jahren – die sehr gute Abschlussarbeit von BEng Daniel Jansen zum Thema „Anforderungen an eine Methanisierungsanlage für den Offshore-Einsatz“. Bereits damals war der sehr präzise und gewissenhafte akademische Arbeitsstil erkennbar. Er durfte daher die Ergebnisse seiner Arbeit auf einer Tagung der SCHIFFBAUTECHNISCHEN GESELLSCHAFT (STG) vorstellen und präsentieren [1,2]. Die Ergebnisse aus der Arbeit sind als exemplarisches Beispiel ebenfalls in die Fachbuchveröffentlichung [7] eingegangen.

„Die gute Saat geht auf … immer der nächsten Technologiegeneration dicht auf den Fersen … es bleibt spannend!“

Ein besonderer Dank für das entgegengebrachte Vertrauen geht daher an

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5. Einordnungshilfen

An der HOCHSCHULE FLENSBURG liegen als Basis für die Begutachtung Erfahrungen mit der KALMAN-Filterung [5] sowie dem Einsatz von Brennstoffzellen an Bord von Schiffen vor. Nachfolgend werden Einblicke zu den Vorarbeiten und dem Thema gegeben.

5.1 STG-Sprechtag „Students meet Industry“ 2014

5.1.1 Anforderungen an eine Power-to-Gas-Anlage für den Offshore-Einsatz mit einer Anschlussleistung von 240 MW

Daniel Jansen, Fachhochschule Flensburg

Das Power-to-Gas-Verfahren ist ein Konzept zur Energieumwandlung, bei dem regenerativ erzeugter elektrischer Strom in das sogenannte Synthetic Natural Gas (SNG) – einem Erdgassubstitut – umgewandelt wird. Mit dieser Strom-Gasnetz-Kopplung und der damit einhergehenden signifikanten Steigerung der Speicherkapazität sollen die fluktuierend anfallenden erneuerbaren Energien für die Grundlastsicherung nutzbar gemacht werden. Die Energieumwandlung erfordert zwei wesentliche Prozessschritte. Zunächst wird mit Hilfe der Elektrolyse Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der erzeugte Wasserstoff wird anschließend mit Kohlendioxid zu SNG synthetisiert. Aus Sicht dieser Arbeit ist das Power-to-Gas-Verfahren nach heutigem Stand der Technik nicht für den Offshore-Einsatz geeignet. Gründe dafür sind die hohen Gasgestehungskosten sowie Abmessungen und Gewicht der Plattform für den vorgegebenen Leistungsbereich. Darüber hinaus sind die Anlagen zur Kohlendioxidabsorption gegenwärtig gar nicht kommerziell erhältlich. Es muss also festgehalten werden, dass die Planung großtechnischer Anlagen für den Offshore-Bereich derzeit nicht sinnvoll ist.

5.1.2 Requirements to a Power-to-Gas plant in offshore operation with an output power of 240 MW

Daniel Jansen, Fachhochschule Flensburg

The Power-to-Gas process is a concept to convert renewable current into the so called Synthetic Natural Gas (SNG). The storage capacity will be increased significantly by the coupling of current and gas nets so that it is possible to use the fluctuating renewable energies for base load purposes. The conversion requires two steps. At first water will be split into its components oxygen and hydrogen by means of an electrolysis process. Afterwards the produced hydrogen will be synthesized to gas by adding carbon dioxide in a methane reactor. From the view of this thesis the Power-to-Gas process is currently not appropriate for offshore purposes. The acquisition costs for the gas are too high. The weight and the dimensions of the platform for the given power range are too high as well. Furthermore, the plants for the carbon dioxide absorption are not even available on commercial ways. On these grounds the planning of commercial plants in offshore operation is currently not sensible.

5.2 Brennstoffzellen im maritimen Einsatz

5.2.1 BMBF/AIF-Antrag: Entwicklung und Systemintegration von hocheffizienten Gasturbinen-Brennstoffzellen-Kombianlagen (SOFC-GT) an Bord von Schiffen

(beantragt zusammen mit Prof. Dr. Winkler vom Fb M+P – Forschungsschwerpunkt ‚Brennstoffzellen‘, Laufzeit: Sept. 2002 bis Feb. 2004) [6].

Brennstoffzellensysteme haben die Phase der Laborüberprüfungen absolviert und werden in Feldversuchen auf Ihre Praxistauglichkeit untersucht. Die größten Potentiale bezüglich Emissionsminderung und Wirkungsgrad bieten dabei die oxidkeramischen Brennstoffzellensysteme in Verbindung  mit Gasturbinen (SOFC-GT). Ziel des Vorhabens ist die Systemintegration dieser hocheffizienten Systeme für maritime Anwendungen (Logistik, Brennstoffaufbereitung, Hilfssysteme, Sicherheitstechnik, besondere Betriebsbedingungen wie Seegangsbeschleunigungen, Inselbetrieb, internationale Vorschriften wie SOLAS etc.). Dazu soll die Übertragbarkeit der Erfahrungen mit mobilen und stationären Anlagen im Landbereich auf maritime Systeme evaluiert werden. Es wird eine konkrete Machbarkeitsstudie mit Spezifikationsempfehlungen vorgelegt. Mögliche Umsetzungsstrategien der Machbarkeitsstudie werden mit der Industrie vor Ort gemeinsam erarbeitet. Die Belange der Praxis sowie der Technologietransfer sollen zusammen mit mittelständischen und industriellen Partnern in Form eines Netzwerkes sichergestellt werden.

The implementation of mobile fuel cell systems (FC) in automotive and submarine applications has this technology taken in a public focus. The proton conducting Polymer Electrolyte Membrane  Fuel Cell (Proton Exchange Membrane – PEM) needs a hydrogenous fuel gas and has a low efficiency due to the temperature level of 80 °C. The oxygen conducting Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) with a high temperature level of about 1000°C allows easily a internal reforming process of natural gas or other commercial fuels. In combination with an exhaust gas turbine is an efficiency up to 80 % predicted (SOFC-GT). The US-Department of Energy and Siemens Westinghouse announced that a 220 kW-Version of this ‚hybrid‘-type of fuel cell power plant has been built and begin its test installation with an electrical efficiency of 57 %. International there are other similar power plants planned. For maritime installations the discussion about the ‚All Electric Ship‘-Concept is a driver for fuel cell systems on board of ships. The proposal talks about actual developments and options for maritime applications.

5.2.2 Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP):  Brennstoffzellen im maritimen Einsatz – E4Ship (2010 bis 2016):

Ziel des bis 2016 laufenden Projekts ist es, die Funktionsfähigkeit von Brennstoffzellen in der Bordenergieversorgung von Schiffen unter Alltagsbedingungen nachzuweisen. Gegenüber herkömmlichen Schiffsaggregaten können Brennstoffzellen wesentlich zur Reduktion von Emissionen beitragen. Die Schadstoffe zu reduzieren, ist eine dringliche Anforderung an Reedereien, da in immer mehr Häfen strenge Umweltverordnungen gelten, die Emissionsobergrenzen vorschreiben (sogenannte ECA-Zonen). In e4ships kommen sowohl Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Schmelzkarbonattechnik, als auch Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit PEM-Technologie (PEM = Proton Exchange Membrane) zum Einsatz. Die Herausforderungen im Projekt bestehen in der technischen Systemintegration in verschiedene Schiffstypen und der Ableitung einheitlicher technischer Standards.

5.3 Brennstoffzellensysteme und Projektbeispiele als Fachbuchbeiträge

Regenerative Energiesysteme – Grundlagen, Systemtechnik und Analysen ausgeführter Beispiele nachhaltiger Energiesysteme

Die erneuerbaren Energien spielen angesichts des fortschreitenden Klimawandels eine größere Rolle denn je. Dieses Lehrbuch stellt die relevanten nachhaltigen Energiesysteme und ihre Funktionsmechanismen dar, geht auf die Einflussparameter ein und erläutert Potentiale durch Überschlagsrechnungen. Die Möglichkeiten für technische Projekte werden vornehmlich für Privatpersonen, aber auch den industriellen Anlagenbau aufgezeigt. Aufgaben und ihre zugehörigen Lösungen unterstützen das Verständnis für die abgebildeten Zusammenhänge. Die 6. Auflage des Buches beinhaltet neben überarbeiteten und neuen Abbildungen einen vollständig neuen Abschnitt zu synthetischen Kraftstoffen. Hier wird neben den zur Verfügung stehenden Prozessen auch auf die Effizienz und physikalischen Grenzen der Verfahren eingegangen [7].

Die Vor- und Nachteile sowie die Eigenschaften der verschiedenen Brennstoffzellensysteme werden hier auf Basis der o.g. Vorarbeiten im Kap. 12.8 beschrieben.

Vgl. dazu

6. Auflage: Regenerative Energiesysteme

6. Zum Gutachter

Prof. Dr.-Ing. Holger Watter [8] ist studierter Maschinenbauer der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg, Schiffsmaschinenbauer TUHH, Schiffsbetriebsingenieur CI, Reserveoffizier (Korvettenkapitän der Reserve) und der maritimen Branche seit fast 40 Jahren eng verbunden. Als ehemaliger stellv. Sprecher der Vereinigung Deutscher Schiffsingenieure (VDSI) und ex Vorstandsvorsitzender des Maritimen Clusters Norddeutschland (MCN) ist er in der Branche breit vernetzt und fachlich querschnittlich aufgestellt. Er ist Mitglied in mehreren Fachausschüssen der Schiffbautechnischen Gesellschaft – STG, Mitglied des Beirates der Stiftung Schifffahrtsstandort Deutschland und Vorsitzender der Normenstelle für Schiffs- und Meerestechnik (NSMT) im DIN.

Prof. Watter ist seit 1997 Hochschullehrer. Zunächst war er an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Hamburg (HAW Hamburg) in den Bereichen Kraft- und Arbeitsmaschinen, Maschinen und Anlagentechnik, Schiffstechnik, Fluidtechnik und Erneuerbare Energie tätig – seit 2010 arbeitet er an der Hochschule Flensburg – zunächst am Maritimen Zentrum – von 2015 bis 2017 als Präsident der Hochschule – seit 2017 am Fachbereich Energie und Biotechnologie in den Studiengängen Energiewissenschaften und Schiffstechnik.

Der fachliche Schwerpunkt liegt im Bereich der Schiffs-, System- und Anlagentechnik: Die ganzheitliche Betrachtung und Bewertung des Betriebes und der Konstruktion von komplexen Anlagen und Geräten. Im Rahmen dieser Tätigkeiten erschienen mehrere Fachbücher und div. Fachpublikationen zu unterschiedlichen Fragen der Systemtechnik aus diesen Bereichen. Die methodisch-didaktische Aufbereitung dieser Inhalte (z.B. auch als Fernlernkonzept) ist ihm dabei ein besonderes Anliegen. Hierzu betreibt er einen eigenen Youtube-Kanal und einen Wissenschaftsblog (die sich an den Bedürfnissen der Studierenden und gesellschaftspolitischen Fragestellungen orientieren) und fungiert als Board-Member und Peer-Reviewer für verschiedene internationale Open-Access- bzw. Open-Science-Journals [9]. Im Berufsfeld begleitet er verschiedene Ausschüsse und Organisationen ehrenamtlich.

In nationalen und europäischen Forschungsprojekten konnte er umfangreiche Drittmittel-Erfahrungen sammeln, so dass er regelmäßig auch für die nationale Forschungsförderung und die europäische Kommission in Brüssel als Gutachter zu länderübergreifenden Forschungsanträgen tätig war.

In die Hochschulgremien brachte er sich aktiv ein und verfügt daher über Leitungs-, Budget- und Führungserfahrungen in div. Hochschulebenen in unterschiedlichen Hochschulsystemen. Die Spannweite reicht hier von der Labor-, über die Instituts-, Fakultäts- bis Hochschulleitung. Dabei wurden zahlreiche Hochschulprojekte organisiert und administriert. Er verfügt damit über langjährige Erfahrungen in verschiedenen Selbstverwaltungsorganen auf unterschiedlichen Hochschulebenen und Führungserfahrungen in mehreren Leitungspositionen der Hochschulen mit Budget- und Personalverantwortung in Hamburg und Schleswig-Holstein.

7. Verweise

[1] https://www.stg-online.org/veranstaltungen/Sprechtag_Students_meet_Industry_3/1411544294.html

[2] https://www.stg-online.org/veranstaltungen/Sprechtag_Students_meet_Industry_3.html

[3] https://holgerwatter.wordpress.com/2019/01/09/5-auflage-regenerative-energiesysteme/

[4] https://www.ikts.fraunhofer.de/

[5] Watter, Holger: Ein Beitrag zur optimalen Lenkung von vollautonomen Unterwasser-Robotern, Helmut-Schmidt-Universität Hamburg (HSU), Hamburg, 1993, vgl. DEUTSCHE NATIONALBIBLIOTHEK.

[6] Thormann, Watter, Winkler: Entwicklung und Systemintegration von hocheffizienten Gasturbinen-Brennstoffzellen-Kombianlagen (SOFC-GT) an Bord von Seeschiffen,  vgl. https://www.researchgate.net/publication/294096345_Entwicklung_und_Systemintegration_von_hocheffizienten_Gasturbinen-_Brennstoffzellen-Kombianlagen_SOFC-GT_an_Bord_von_Seeschiffen

[7] Vgl. https://rd.springer.com/book/10.1007/978-3-658-35868-6 und https://holgerwatter.wordpress.com/2022/04/25/6-auflage-regenerative-energiesysteme-grundlagen-systemtechnik-und-analysen-ausgefuehrter-beispiele-nachhaltiger-energiesysteme/

[8] https://holgerwatter.wordpress.com/

[9] Vgl. z.B. JMSE, Vol. 11, Pages 238: Industrial Development Status and Prospects of the Marine Fuel Cell: A Review, https://www.mdpi.com/2077-1312/11/2/238

[10] Watter, Holger: Gas als Schiffsbrennstoff – Neue Anforderungen an die Qualifikation der Besatzung, INGENIEURSPIEGEL 2/2013, S. 18 bis 20, vgl. https://holgerwatter.files.wordpress.com/2016/03/2013_ingenieurspiegel-gas.pdf

[11] Watter, Holger: IGF-Code – Gas als Schiffsbrennstoff – Diskussionsstand zu den Qualifikationsanforderungen, ALFA-LAVAL-Praxisseminar, Hamburg, 13.06.2013, vgl. https://docplayer.org/9026335-Igf-code-gas-als-schiffsbrennstoff-diskussionsstand-zu-den-qualifikationsanforderungen-was-wollen-die-reeder.html

[12] Watter, Holger: Erfahrungen mit Gasmotoren bei Rückwirkungen aus dem Bordnetz, vgl. https://holgerwatter.wordpress.com/2018/10/01/experiences-with-gas-engines-during-practical-ship-operations-impact-of-load-fluctuations-during-generator-operations-on-the-ships-power-grid/

8. Kontakt

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