SOFC integrert med gassturbin prosesser - stasjonær og dynamisk simulering

Transkript

1 SOFC integrert med gassturbin prosesser - stasjonær og dynamisk simulering Hanne M. Kvamsdal Torleif Weydahl og Ola Maurstad Avd. Energiprosesser, SINTEF Energiforskning Bjørn Thorud og Olav Bolland Institutt for Energi- og Prosessteknikk, NTNU

2 Innhold Bakgrunn Motivasjon Stasjonær modellering Stasjonære analyser Dynamisk modellering Dynamiske analyser Oppsummering Recuperator Gas Turbine Generator Fuel Processing System SOFC Module Switchgear SOFC Power Conditioning System Exhaust Stack Air Inlet Instrumentation and Controls 2

3 Bakgrunn Hydrogen og brenselceller vil spille en viktig rolle i framtidens energisystemer Produksjon av elektrisistet PEM for kraft/varme i husholdningen H 2 Transport SOFC for lokal distribusjon Vann Energibær er Villaområde By Industri Vann PEM brenselceller co-genereringsanlegg Primære energikilder Energi konsumerende sektorer PEM brenselceller i transport sektoren Kraftforsyning fra SOFC/kombinert gass kraft 3

4 Bakgrunn forts. Storskala kraftproduksjon vha. brenselceller kombinert med gassturbiner er ikke kommersiell i dag Utfordringer SOFC+GT: Redusere investeringskostnader storskala SOFC stacker Øke kraftutbyttet (fra kw til MW) Utvikle tilpassede gassturbiner Redusere oppstarts-tid Systemdesign - integrasjon med kraftprosess Utfordringer SOFC Kostnader!!! Materialer og produksjonsmetoder Design av celle og stack Senkning av driftstemperatur Forvarming av fødestrømmer (VV-teknologi) 220 kw anlegg basert på Siemens-Westinghouse design, i drift i Irvine, USA siden

5 Bakgrunn forts. Trenger kunnskap om fastoksid brenselceller for: å redusere kostnader å redusere volum/vekt å redusere utslipp optimal drift samvirke med andre energisystemer Strategiske prosjekter KMB: Hydrogen Technology materials, processes and system analysis Subtask: Integration of pressurised high-temperature fuel cells and gas turbine cycels SIP: Power generation with CO 2 capture Subtask: Power cycles with carbon capture 5

6 Motivasjon SOFC+GT SOFC+GT høyere virkningsgrad og større kapasitetsområde Økt trykk i brenselcellen gir høyere virkningsgrad i stacken og muliggjør integrasjon med GT Brenselceller er ikke begrenset av Carnot virkningsgraden SOFC+GT slipper ikke ut SOx og har ekstremt lave NOx-utslipp (~0.1 ppm) 6

7 Motivasjon SOFC+GT forts. Vann Fuel H + O 2 H O + 2e C 1 O e O Air Electrolyte ZrO 2 CH4 + H2O CO + 3H2 CH4 + CO2 2CO + 2H2 H2O + CO H2 + CO2 Anode Cathode Oxygen ions Reforming Water/gas shift Electrons Varmeveksler Varm, trykksatt luft Naturgass SOFC med intern reformering Eksos Brennkammer Kompressor Turbin ~ Luft Ytelse 250 kw-10 MW Virkningsgrad elektrisitet ~60-70% 7

8 SIP ( ): SOFC-system med CO 2 - håndtering - Konseptevaluering Prosjektmedarbeidere: Prosjektleder: Hanne Kvamsdal SINTEF Energiforskning 1 diplomstudent (Henriette Haavik) veiledet av Olav Bolland, NTNU Prosjektmedarbeider: Ola Maurstad, SINTEF Energiforskning Aktiviteter: Stasjonær prosessmodellering av alle systemkomponenter i prosesssimuleringsverktøyet PROII Tilpassing av SOFC enheten Stasjonær analyse av systemet og sammenligning med andre konsepter 8

9 SIP: SOFC-system med CO 2 -håndtering Konseptevaluering forts. En variant av SOFC/GT-prosessen Utløpsstrømmene fra brensecellen (anode- og katodesiden) holdes adskilt Prinsippet er basert på støkiometrisk forbrenning Etterbrenner erstattet av O 2- ledende membran Etterbrenner er en modifisert brenselcelle som produserer noe elektrisitet Eksosen består hovedsakelig av H 2 O og CO 2 som enkelt kan separeres virkeligheten kan være noe mer kompleks avhengig av løsning kan eksosen også inneholde noe H 2, CO eller N 2 Air in Air out Seal Exhaust Leak path Fuel from pre-reformer Fuel cell section After-burning section Air in Air out Exhaust gas Kilde: Shell Technology Norway AS 9

10 Komponenter i prosessen Prereformer delvis reformering av hydrokarboner til CO og H2 Brenselcelle-enheten intern reformering av metan sørger for ca. 85 % brenselutnyttelse Etterbrenneren sørger for ca. 98 % brenselutnyttelse ekstra SOFC valgt (alternativ: membran/kat.forbr med oksygen) Katalytisk brenner sørger for 100 % brenselutnyttelse Kompressorer og turbiner, samt varmevekslere 10

11 Utvikling av stasjonær prosessmodell i PRO/II Nytten av enkel modell bestemme virkningsgrad, masse- og energibalanser velegnet til parametervariasjoner Ingen standard brenselcelle-komponent i PRO/II Brenselcellen må derfor representeres med standard komponenter som: likevektsreaktor (Gibbs-reaktor) kalkulator, strømkalkulator varmeveksler 11

12 Flytskjema i PRO/II 12

13 Modellantagelser Den reversible cellespenningen beregnes som aritmetisk middel av verdi ved innløp og utløp Empiriske korrelasjoner for (spenningstap) aktiveringstap ohmske tap konsentrasjonstap Brenselutnyttelsesgrad settes til 85 % for både brenselcellen og etterbrenneren Varmevekslere spesifiseres med en effectiveness ( Tmin) Realistiske virkningsgrader for kompressorer og turbiner Simuleringer gjenstår 13

14 Integrert SOFC og gassturbin -et KMB prosjekt finansiert av NFR, Statkraft og Shell ( ) Dynamisk prosessmodellering (alle enheter) Systemanalyse,transient oppførsel (hele prosessen) ϕ Air in Air out Seal Exhaust Leak path r Anode Electrolyte Cathode Air supply tube Air 0 Fuel from pre-reformer Fuel Air z Siemens-Westinghouse design 14

15 Integrert SOFC og gassturbin - prosjektinnhold Prosjektmedarbeidere: Prosjektleder: Torleif Weydahl SINTEF Energiforskning Dr. ing. student: Bjørn Thorud Veileder NTNU: Olav Bolland Veileder og prosjektmedarbeider: Hanne Kvamsdal, SINTEF Energiforskning Aktiviteter: Utvikling av dynamiske systemmodeller for SOFC, GT, og andre nødvendige enheter Dynamisk systemmodellering i prosess modellerings verktøyet gproms (PSE Ltd.) Dynamisk analyse av systemet Hensikt: Bestemme dynamisk systemoppførsel generelt Spesiell fokus på dynamikken i applikasjoner for små-skala nett, for eksempel offshore installasjoner Fuel Air District heating Exhaust Air Compressor Prereformer DC/AC CO 2 + H 2 O + UHC ANODE CATHODE Power: 250 kw - 10 MW Efficiency 65-70% Exhaust Fuel Combustor Turbine ~ 15

16 Dynamisk analyse Sjekk av systemoppførsel generelt ved: Oppstart Nedstenging Lastvariasjoner Forstyrrelser (f.eks. variasjon i fuel sammensetning) Reguleringsformål Fuel mengde må varieres proporsjonalt med strømtetthet Celle stacken må holdes på konstant temperatur får å motvirke belastninger på de keramiske komponentene. Reguleres med lufttilførsel. Molforholdet mellom damp og karbon må minst være 1.8 for å hindre karbondannelse. Brenselcellen må kunne startes opp fra kald tilstand og motsatt. Videre må systemet være slik at det tåler lastendringer 16

17 Fra flytskjema-beskrivelse til systemmodell Nøyaktighet i modellen vil være begrenset av beregningstid for hele systemet Fuel District heating Exhaust Prereformer DC/AC CO 2 + H 2 O + UHC ANODE CATHODE Exhaust Fuel Combustor Hovedkomponenter: Brenselcelle stack Varmevekslere Pre-reformer Brennkammer Kompressor Ekspander/Turbin Kraftelektronikk (DC/DC-konverter, DC/AC-konverter og evt AC/AC-konverter) Reguleringssystem Air Air Compressor Power: 250 kw - 10 MW Efficiency 65-70% Turbine ~ Alle enhetsmodeller samt forbindelser skal implementeres i gproms 17

18 Implementering (Brenselcellen) Dimensjoner: Ytre diameter: 22 mm Tykkelse på luft tilførselsrør : 1,5 mm Anode tykkelse: 100 µm Elektrolytt tykkelse: 40 µm Katode tykkelse: 2,2 mm Lengde: 1,5 m 3 modell-tilfeller: Adiabatisk rør (ingen netto stråling) Stråling pre-reformer vegg Stråling til en pre-reformer vegg og neste rørbundle Courtesy Siemens Westinghouse 18

19 Flytskjema-beskrivelse i gproms SOFC/GT Prosess controll Air District Heating Compressor GT Fuel compressor SOFC Afterburner Fuel Ejector Prereformer Heat Bundle 24 tubes Modelled by 3 types 19

20 Implementering av system i gproms Samling av modeller Modellene er koblet sammen ved informasjonsstrømmer Modellene settes sammen til ulike prosesser Ligninger som beskriver modellen adiabatisk rør 20

21 Status og planer for prosjektet Mye av modellerings- og implementeringsarbeidet i gproms er gjennomført Iterativ prosess spesielt på SOFC siden Hvor nøyaktig bør modellen være? Gassturbin-komponenter koordineres med et annet prosjekt Verifisering ingen enkel sak Teste prosessen for dynamisk oppførsel oppstart nedstenging last-variasjoner Publisering konferanser journaler avhandling 21

22 Oppsummering Systemanalyse anvendt på SOFC integrert med gassturbin Store utfordringer knyttet til slike system Kompetanseoppbygging viktig Aktiviteter presentert vha. to prosjekter SIP: CO 2 -innfangning KMB: Dynamisk oppførsel Andre aktiviteter prosjekt- og diplomarbeid eksterne kunder 22