Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4546
Main Title: Thermodynamic, economic and environmental evaluation of solid oxide fuel cell hybrid power generation systems
Translated Title: Thermodynamische, wirtschaftliche und ökologische Bewertung von hybriden Stromerzeugungssystemen basierend auf Festoxidbrennstoffzellen
Author(s): Lee, Young Duk
Advisor(s): Tsatsaronis, George
Referee(s): Ziegler, Felix
Tsatsaronis, George
Ahn, Kook Young
Morozyuk, Tetyana
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Ein auf Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) basiertes Energieumwandlungssystem erzeugt elektrische Energie mit einer höheren Effizienz und emittiert folglich weniger CO2, verglichen mit den meisten anderen konventionellen Stromerzeugungstechnologien. Außerdem werden in einem SOFC-System weniger gasförmige Schadstoffe, wie CO, NOx, SOx sowie Feinstaub emittiert. Damit können die SOFC-Systeme als eine der effizientesten und umweltfreundlichsten Technologien der Stromerzeugung betrachtet werden, vor allem im Bereich der dezentralen Energieerzeugung. Trotz der erreichten Fortschritte der SOFC-Technologie in den letzten Jahrzehnten verhindern immer noch mehrere Barrieren die vollständige Kommerzialisierung von SOFC-Systemen. Dazu gehören zum einen die Minimierung der Leistungseinbußen und zum anderen die Gewährleistung eines robusten Betriebs. Außerdem ist die Kostenreduktion bei den SOFC-Systemen von großer Bedeutung; es müssen nicht nur die Herstellungskosten sondern auch die Betriebskosten der SOFC-Systeme gesenkt werden. Darüber hinaus sollte ein SOFC-System während seines gesamten Lebenszyklus umweltfreundlich sein. Aus den verschiedenen Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit der SOFC-Systeme, gewinnt die Hybridisierung von SOFC mit anderen Energieumwandlungssystemen an Bedeutung. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Hybridsystem, welches ein SOFC-System mit einem Verbrennungsmotor kombiniert, vorgeschlagen und untersucht. Das System wird bezügliche seines thermodynamischen, wirtschaftlichen und ökologischen Verhaltens mittels exergiebasierter Methoden (exergetische, exergoökonomische und exergoökologische Analysen) bewertet. Zu Vergleichszwecken werden ebenfalls ein herkömmliches einfaches SOFC-System und ein SOFC/GT-Hybrid-System untersucht und bewertet. Mittels der exergetischen Analyse werden die Ursachen für die thermodynamischen Ineffizienzen in dem SOFC System identifiziert. Dabei weisen die chemischen Reaktoren und die Wärmeübertrager die höchste Exergievernichtung auf. Allerdings ist, im Gegensatz zur allgemeinen Erwartung, die Exergievernichtung innerhalb des SOFC-Stacks relativ gering. Dieses ist auch darauf zurückzuführen, dass die erzeugte Wärme effizient für die Reformierung im Stack wieder verwendet wird. Dieses wird auch als interne Reformierung bezeichnet. Die exergoökonomische Analyse ist eine geeignete Kombination der exergetischen und der wirtschaftlichen Analyse. Mittels dieser Analyse werden die Kosten für das SOFC-Stromerzeugungssystem nicht nur in Bezug auf die Kapitalinvestitionen betrachtet, sondern auch die Kosten der Exergievernichtung bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein großer Teil der Kosten mit den Kapitalinvestitionen verbunden sind, welches durch hohe exergoökonomische Faktoren veranschaulicht wird. Es sollte untersucht werden, wie die Kapitalkosten, selbst auf Lasten des thermodynamischen Wirkungsgrades, reduziert werden können. Die Umweltauswirkungen eines Energieumwandlungssystems kann unter Verwendung einer Lebenszyklusanalyse (LCA) beurteilt werden. Die LCA kann effektiv mit der exergetischen Analyse zur exergoökologischen Analyse kombiniert werden. Durch diese Analyse wird offensichtlich, dass die Verbesserung der Betriebseffizienz und ein daraus resultierender verringerter Einsatz fossiler Brennstoffe der Schlüsselfaktor zur Verbesserung der Umwelteigenschaften von SOFC-Stromerzeugungssystemen ist.
A Solid-oxide fuel-cell (SOFC) based power generation system generates electricity at a higher efficiency, consequently emits lower CO2 being compared with most other conventional power generation technologies. And an SOFC system also emits less gaseous pollutants such as CO, NOx, SOx, and particulate matter; therefore the SOFC system can be regarded as one of the most efficient and clean power generation technologies, particularly in the decentralized power generation area. In spite of the progress of SOFC technology, achieved during the recent decades, several barriers still prevent the full commercialization of SOFC systems; first, performance degradation should be minimized; second, robust operation should be guaranteed; finally and most importantly, the cost should be reduced not only from the manufacturing but also from the operational standpoint. In addition, the SOFC system should be environmentally friendly during its entire life-cycle; i.e. from cradle to grave. Among the various ways of improving efficiency, economics, and environmental characteristics of the SOFC system, hybridization of SOFC with other power units has been obtaining great interest. In this thesis, a novel hybrid system, a combination of an SOFC and an internal combustion engine, has been proposed and the thermodynamic, economic, and environmental performances of the system have been evaluated using exergy-based methods: exergetic, exergoeconomic, and exergoenvironmental analyses. For comparison purposes, a conventional simple SOFC system and an SOFC/GT hybrid system have been also assessed together with the proposed system. Through the exergetic analysis, the location, magnitude and sources of thermodynamic inefficiencies in the SOFC power generation systems are identified; chemical reactors and heat exchangers are the main sources of the exergy destruction; however, contrary to common expectation, very little exergy is destroyed within the SOFC stack. This is because the generated heat is effectively re-utilized within the SOFC stack for reforming, internal reforming. An exergoeconomic analysis is an appropriate combination of an exergetic analysis and an economic analysis; through the analysis, the information of the cost in the SOFC power generation systems have been assessed in terms not only of capital investment but also of the cost of exergy. Results reveal that a large portion of the cost is associated with the capital investment, showing high exergoeconomic factors. Consideration should be on how to reduce the capital cost, even at the expense of the thermodynamic efficiency. The environmental impact of an energy conversion system can be assessed using a life cycle assessment (LCA); the LCA can be effectively combined with the exergetic analysis in an exergoenvironmental analysis. Through the exergoenvironmental analysis on the SOFC power generation systems, it can be concluded that improving the operational efficiency and reducing the fossil fuel use are the key factors of improving the environmental characteristics of SOFC power generation systems.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-68576
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4843
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4546
Exam Date: 6-Jul-2015
Issue Date: 24-Aug-2015
Date Available: 24-Aug-2015
DDC Class: 118 Kraft und Energie
600 Technik, Technologie
Subject(s): Festoxidbrennstoffzelle
elektrische Stromerzeugung
Hybridsystem
exergiebasierte Systemanalyse
Solid-oxide fuel-cell
power generation
hybrid system
exergy-based system analysis
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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