Modellgestützte, dynamische Untersuchung zum effizienten Betrieb von Festoxid-Brennstoffzellensystem

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Um die Lastflexibilität von SOFC-Brennstoffzellensystemen zu erhöhen, ist eine umfassende Systembetrachtung erforderlich, die Systemkonzept, Bauweise und Betriebsweise umfasst. Diese Arbeit fokussiert sich auf Systeme im kleinen Leistungsbereich (1 kWel) und untersucht mit niederdimensionalen, dynamischen Systemmodellen die Aufheizung, das interne Wärmemanagement der Hotbox und den Hot Stand-By Betrieb. Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) bieten als alternative Wandler für Strom und Wärme einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, was sie besonders im kleinen Leistungsbereich vorteilhaft macht. Das Lastfolgeverhalten der SOFC-Systeme wird jedoch durch die energieintensive Aufheizphase und die begrenzte Zyklenanzahl eingeschränkt. Diese Arbeit analysiert das Aufheiz- und Teillastverhalten und identifiziert Verbesserungspotenziale. Ein dynamisches, verfahrenstechnisches Systemmodell wird in Modelica entwickelt, das niederdimensionale Komponentenmodelle integriert und mit kurzen Simulationszeiten (0,5 % der Echtzeit) das Systemverhalten abbildet. Die Modelle sind mit Messdaten parametriert und validiert, wodurch das thermisch gekoppelte Verhalten eines Hotbox-basierten Systems analysiert werden kann. Eine Jahressimulation zeigt den Nutzen des Hot-Standby-Betriebs für die Stromerzeugung im Hausenergiebereich.