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Die weitgehend autarke Energieversorgung von Siedlungs- und Gewerbestrukturen mit eigenerzeugter Strom-, Wärme- und Wasserversorgung sind weltweit fokussierte Entwicklungsziele zahlreicher Unternehmen. Im Zuge dieser Entwicklung entstand in Deutschland das Bündnis autartec®. Gefördert wird der Zusammenschluss vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als „Innovativer Regionaler Wachstumskern“.
Dieses Konsortium aus klein- und mittelständischen Industriefirmen, Ingenieurunternehmen, wissenschaftlichen Institutionen sowie künftigen Anwendern hat sich als Ziel gesetzt, ein zumindest semiautarkes ufernahes „schwimmendes autartec® Haus“ der Öffentlichkeit zu demonstrieren. Der zukünftige Standort des FreiLichtHauses wird am Bergheider See auf dem Gelände des F60-Besucherbergwerkes sein. Der Demonstrator vereint weiterentwickelte bekannte sowie neue Technologien.
Architektonisch wurde dabei sehr großer Wert auf die Integration der Technologien in die Gebäudestruktur, ohne den nutzbaren Raum zu beeinflussen, gelegt. Dies erfordert die Verwendung eigens dafür entwickelter funktionstragender autartec® Gebäudehüllen, wie z.B. die dünnwandige Wandelemente aus Textilbeton.
Um das spätere Zusammenspiel der semiautarken Energieversorgung des Demonstrators zu planen und zu optimieren, wurde am ifn Anwenderzentrum in Form einer Master Thesis von Herrn Tholeikis ein Versuchsstand entwickelt und geplant. Der Versuchstand ist ein vom Demonstrator skaliertes Technologiesystem, an dem die unterschiedlichsten Energieerzeugungs- sowie Energieverbrauchertechnologien untersucht und aufeinander angepasst werden können. Das System soll in dieser Arbeit mit einer Brennstoffzelle, mit veränderten Photovoltaikmodulen und mit einem System zur Verbrauchssimulierung erweitert werden. Des Weiteren werden Optimierungen sowie Auswertungen anvisiert.
In this thesis a micro reformer fuel cell system (µRFCS) for 300 Wel off-grid power supply, fuelled with bioethanol, was simulated, designed, developed and investigated in a test-rig. First a literature study was carried through to point out the specific characteristics of micro reforming, the most important being heat transfer, and present the systems currently under research and already on the market. As a next step, the processes of the RFCS were simulated with the commercial simulation tool CHEMCAD. This comprised thermodynamic equilibrium simulations for the separate reactions of steam reforming, water gas shift and selective methanation. It also included a simulation of the complete µRFCS with thermodynamic equilibrium for all reactors and assumed values for heat loss and fuel cell efficiency. The resulting net electrical efficiency was 24%. As a third step, a reaction pathway scheme with parallel and serial reactions for the steam reforming reaction of ethanol was simulated, developed, evaluated and proven plausible by matching the simulation to experimental results obtained in the µRFCS test rig. The equilibrium simulations were used to evaluate the catalyst screening carried through for reformer, water gas shift and selective methanation catalysts. The catalysts for the µRFCS were chosen and the optimum operating conditions determined by the screening tests. Having accomplished the simulation and design of the system, the largest proportion of this work was spent on the construction, set-up, testing and evaluation of the complete µRFCS. The focus for the evaluations lay on the reformer side of the system. The technical feasibility was demonstrated for an ethanol/water mix of 3 ml/min at S/C 3. The first tests without optimized heat and water management between the reformer system and the fuel cell system resulted in power output of around 115 Wel, at a total electrical efficiency of 31%.