Demonstrationsvorhaben Multi-SOFC im HC-H2: Strom- und Wärmeversorgung des Krankenhauses Erkelenz über ein Multi-Fuel-SOFC-Aggregat

Abstract

Das Projekt "Demonstrationsvorhaben Multi-SOFC im HC-H2" wurde ins Leben gerufen, um innovative Wasserstofftechnologien zur dezentralen Strom- und Wärmeversorgung zu demonstrieren und deren Potenzial für die Energiewende und den Strukturwandel im Rheinischen Revier aufzuzeigen. Spezifisches Ziel war die Demonstration und Analyse eines stationären Brennstoffzellensystems auf Basis der SOFC-Technologie im 100 kW-Bereich zur Versorgung des Hermann-Josef-Krankenhauses in Erkelenz mit der lokalen Einspeisung von Strom und Wärme, was in dieser Größenordnung und Konfiguration eine Neuheit darstellte. Darüber hinaus war der Funktionsnachweis eines Mischbetriebs von Erdgas mit Wasserstoffbeimischung im realen Umfeld zu erbringen um die Weichen für eine spätere Nutzung von LOHC-Technologie zur Wasserstoffversorgung zu stellen. Wesentliche Ergebnisse:

SOFC-Systembetrieb: Ein SOFC-Brennstoffzellensystem im 100 kW-Leistungsbereich wurde erfolgreich geplant, aufgebaut und über einen langen Zeitraum im wissenschaftlichen Testbetrieb am Krankenhaus Erkelenz betrieben. Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit: Das System zeigte im Erdgasbetrieb eine Laufzeit von über 14.000 Stunden und bewies seine Funktionsfähigkeit, Regelstabilität und Ausfallsicherheit unter realen Bedingungen einer kritischen Infrastruktur. Elektrischer Wirkungsgrad: Es wurde mit einem prototypischen System ein elektrischer Wirkungsgrad von ca. 55 % im Erdgasbetrieb und ca. 53 % im 20%-H2/Erdgas-Mischbetrieb nachgewiesen, was eine deutliche Verbesserung gegenüber dem bestehenden Gasmotor (ca. 36 %) darstellt. Der Gesamtwirkungsgrad lag bei über 70 %. Wasserstoff-Mischbetrieb: Der erfolgreiche Test des Wasserstoff/Erdgas-Mischbetriebs über vier Monate mit 10 Vol.-% H2-Beimischung unterstreicht die Brennstoffflexibilität der SOFC-Technologie. Es wurde gezeigt, dass das System robust auf Gasqualitätsänderungen reagiert. LOHC-Kopplungskonzepte: Wissenschaftlich fundierte Konzepte zur thermischen Kopplung einer SOFC-Anlage mit einem LOHC-Dehydriersystem wurden entwickelt. Diese zeigen, wie durch Anpassungen des SOFC-Wärmemanagements eine autarke Stromerzeugung aus LOHC-gespeichertem Wasserstoff prinzipiell realisierbar ist.

The "Demonstration Project Multi-SOFC in HC-H2" was initiated to demonstrate innovative hydrogen technologies for decentralized power and heat supply and to showcase their potential for the energy transition and structural change in the Rhenish Lignite Mining Region. The specific objective was to demonstrate and analyze a stationary fuel cell system based on SOFC technology with a nominal capacity of 100 kW to supply the Hermann-Josef Hospital in Erkelenz. This system was intended to feed electricity into the grid and utilize heat for the heating network, which was a novelty in this size and configuration. Furthermore, the functional proof of mixed operation of natural gas with hydrogen admixture in a real-world environment was to be provided, setting the course for a later use of LOHC technology for hydrogen supply. Key Results and Achievements:

SOFC System Operation: A 100 kW SOFC fuel cell system was successfully planned, built, and operated for an extended period in scientific test mode at Erkelenz Hospital. Long-term Stability and Reliability: The system demonstrated over 14,000 hours of operation in natural gas mode, proving its functionality, control stability, and reliability under real conditions of critical infrastructure. Electrical Efficiency: With a prototype system an electrical efficiency of approximately 55% in natural gas operation and about 53% in 20% H2/natural gas mixed mode was demonstrated, representing a significant improvement over the existing gas engine (approx. 36%). The overall efficiency exceeded 70%. Hydrogen Mixed Operation: The successful four-month test of hydrogen/natural gas mixed operation with 10 vol.-% H2 admixture highlights the fuel flexibility of SOFC technology. It was shown that the system robustly reacts to changes in gas quality. LOHC Coupling Concepts: Scientifically sound concepts for the thermal coupling of an SOFC system with an LOHC dehydrogenation system were developed. These show how self-sufficient power generation from LOHC-stored hydrogen can be realized by adapting the SOFC's heat management.