Energieeinsparpotential mit ölfreien Turbo Kompressoren in Brennstoffzellensystemen

06. November 2017

Ölfreie elektrische Turbo Kompressoren sind dank ihrer kompakten Bauweise und hohem Wirkungsgrad ideal geeignet für mobile Brennstoffzellensystem z.B. in Fahrzeugen, und haben daher ein grosses Energieeinsparpotential gegenüber Standardkompressoren. Dieser Artikel zeigt einen Vergleich mit anderen Kompressor-Technologien und zeigt Verbesserungspotential bei der Umrichtertopologie auf.

Die meisten Anstrengungen für die Verbesserung von Brennstoffzellensystemen zielen auf die Reduktion der Herstellungskosten und die Steigerung der Effizienz der Brennstoffzellenstacks. Damit wird der Druck den Wirkungsgrad zu steigern sowie der Kostendruck auf Nebenkomponenten, der so genannten Balance of Plant (BoP), immer grösser. Dies betrifft insbesondere den Kompressor für die Luftversorgung der Brennstoffzelle, welcher zwischen 10% bis 20% der Bruttoleistung der Brennstoffzelle benötigt und gleichzeitig einen Grossteil des Volumens, Gewichts und der Kosten der BoP ausmacht. Ein Brennstoffzellensystem inklusive Subsystem (Kompressor des BoP) ist in der nachfolgenden Abbildung gezeigt.

Abbildung 1: Herkömmliches Brennstoffzellensystem inklusive Subsystem.


Die meisten Brennstoffzellensysteme werden mit Scrollkompressoren, Seitenkanalverdichtern  oder Verdrängerkompressoren betrieben. Verdrängerkompressoren können wiederum in diverse Unterarten (Drehschieber-, Kolben-, Membran-, Taumelscheibenkompressoren, etc.) aufgeteilt werden. Diese Kompressoren werden bereits im Automobilbereich für Klimaanlagen eingesetzt. Obwohl die Technologie weit verbreitet und bereits industrialisiert ist, ist sie bezüglich Miniaturisierung und Wirkungsgradoptimierung beschränkt. Verdrängerkompressoren sind für praktisch den ganzen Bereich an Druckverhältnissen und Massenströmen erhältlich.

Seitenkanalverdichter können zwar mittels Drehzahlsteigerung miniaturisiert werden, haben jedoch Prinzip bedingt einen niedrigen Wirkungsgrad, was bei steigendem Druckverhältnis noch stärkere Auswirkungen hat. Daher sind Seitenkanalverdichter nur bei niedrigen Druckverhältnissen einsetzbar, typischerweise im Bereich 1 bis 1.3.

Scrollkompressoren gehören auch zur Gruppe der Verdrängerkompressoren, werden aber separat aufgeführt. Scrollkompressoren weisen einen mittleren bis hohen Wirkungsgrad auf, welche stark von den Fertigungstoleranzen abhängt. Miniaturisierung mittel Drehzahlsteigerung ist nur bedingt möglich, da die Drehzahl abhängig von der konstruktiven Ausführung des Rotors limitiert werden muss.

Turbo Kompressoren weisen die höchsten Wirkungsgrade auf. Sie sind zudem durch eine Drehzahlsteigerung miniaturisierbar. Jedoch ist der Betriebsbereich eingeschränkt, da Drehzahl, Massenstrom und Druckverhältnis nicht beliebig gewählt werden können. Druckverhältnisse bis ca. 2.5 sind für Brennstoffzellen typische Massenströme einstufig möglich.

Bezüglich Gewicht (und Grösse) schneidet der ölfreie Turbo Kompressor von Celeroton um Faktoren 3 bis 17 besser ab als die etablierten Brennstoffzellenkompressoren. Der Seitenkanalverdichter schneidet mit einem Faktor 3 am zweitbesten ab und wird daher sehr häufig in mobilen Brennstoffzellensystemen eingesetzt, eignet sich aber nur bedingt für Brennstoffzellenanwendungen, da er einen im Vergleich zu Turbo Kompressoren halb so hohen Wirkungsgrad aufweist. Bei gleichbleibender Tankfüllung und Brennstoffzelle kann mit einem Kompressor mit Celeroton-Technologie der Leistungsverbrauch des Kompressors von ca. 20% der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle auf ca. 10% halbiert werden, und damit die Reichweite des Fahrzeugs um ca. 10% gesteigert werden. Als Beispiel wird eine 5 kW Brennstoffzelle mit dem Arbeitspunkt gemäss nachfolgender Tabelle herangezogen. Bei gleichbleibender Fahrdistanz verbraucht ein Kompressor mit Celeroton-Technologie über eine Laufzeit von 3‘000 h somit 1‘260 kWh weniger Energie als ein Seitenkanalverdichter. Wird der Wasserstoffkreislauf von der Erzeugung (Elektrolyse, ca. 70% Wirkungsgrad) über die Umwandlung in der Brennstoffzelle (Brennstoffzelle, ca. 50% Wirkungsgrad) miteinbezogen, steigt die Energieeinsparung „aus der Steckdose“ auf ca. 3‘600 kWh.

Trotz der hohen Drehzahlen von ölfreien Turbo Kompressoren (beim CT-17-1000.GB von Celeroton mit einer Nenndrehzahl von 280‘000 U/Min) ist eine hohe Dynamik gewährleistet.


TypSeitenkanal-verdichterScroll-kompressorVerdränger-kompressorÖlfreie Turbo Kompressor (Celeroton CT-17-700.GB)
Arbeitspunkt Druckverhältnis / Massenstrom
1.4 / 5 g/s1.4 / 5 g/s1.4 / 5 g/s1.4 / 5 g/s
Drehzahl (u/min)
12'0001'0001'725220'000
Gewicht (kg)
425251.5
Wirkungsgrad (%)
21292652
Leistungs-verbrauch (W)
700500560280
ÖlfreiNeinNeinNeinJa
Geschätzte Energie-einsparnis Netzenergie (kWh)1)
0 (Referenz)1'7001'200

3'600

Abbildung 2: Vergleich der Kompressor-Technologie. 1) Geschätzte Energieeinsparung berechnet mit 3'000 h Laufzeit bei definiertem Arbeitspunkt, einem Brennstoffzellenwirkungsgrad von 50% und einem Elektrolysewirkungsgrad von 70% (Energieeinsparung durch Gewichtsreduktion nicht eingerechnet).


Neben dem Kompressor muss bei der Gesamtbetrachtung des BoP in Brennstoffzellen-Systemen die Steuerelektronik des Kompressors berücksichtigt werden. Aktuell werden dafür mehrere Elektronik-Bauteile wie in obiger Abbildung dargestellt, eingesetzt. Zum einen der eigentliche Antriebsumrichter mit konstanter Eingangsspannung für den Kompressor. Weiter ein DC/DC-Konverter für die Bereitstellung der konstanten Eingangsspannung des Antriebsumrichters ab einer variablen Brennstoffzellenspannung (Hochspannung) sowie ein weiterer DC/DC-Konverter zur Speisung der konstanten Ausgangsspannung des Antriebsumrichters ab Batterie für den Startvorgang. Diese drei Komponenten können mit einem einzigen anwendungsspezifischen Kompressor-Umrichter effizient abgedeckt werden, wie in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

 

Abbildung 3: Anwendungsspezifisches Kompressor-Umrichter-System.


Das Energieeinsparpotential und die Reduktion der Komplexität von verschiedenen Konzepten und Lösungen auf Elektronikseite wurden bisher in Forschungs- und Entwicklungsprojekten nicht oder nur am Rande untersucht. Eine Reduktion der eingesetzten DC/DC-Konverter bedeutet eine Reduktion der Komplexität der BoP. Weniger einzelne  Elektronik-Bauteile führen aber auch zur Effizienzsteigerung der Bop und damit des gesamten Brennstoffzellensystems und schlussendlich zu einer Steigerung der Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen. Weiter können die Kosten gesenkt werden, da weniger Elektronikkomponenten sowie Kabel und Stecker verbaut werden müssen.

Für eine vereinfachte Beispielrechnung zur Energieeinsparung kann angenommen werden, dass der Kompressor 10% der Brennstoffzellenleistung benötigt. Für ein Brennstoffzellensystem mit 100 kW Brennstoffzellenleistung also 10 kW. Im typischen Brennstoffzellensystem fliesst diese Kompressor-Leistung durch zwei DC/DC-Konverter zwischen Brennstoffzellen-Ausgang und konstanter Eingangsspannung des Antriebsumrichters, und von da weiter über den Antriebsumrichter auf den Kompressor). Für beide Konverter kann ein mittlerer Wirkungsgrad von 90% (Teil- bis Vollastbetrieb) angenommen werden. Wenn eine Elektronik ersetzt werden kann, spart dies folglich 10% Kompressorleistung, was 1 kW entspricht, und somit 1% Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems. Zudem kann das Volumen und Gewicht des Brennstoffzellensystems reduziert werden. Bei gleichbleibender Fahrdistanz kann über eine Laufzeit von 3‘000 h somit 3,000 kWh Energie eingespart werden. Wird die Erzeugung (Elektrolyse, ca. 70% Wirkungsgrad) und Umwandlung von Wasserstoff (Brennstoffzelle, ca. 50%) miteinberechnet, steigt die Energieeinsparung aus der Steckdose auf ca. 9‘000 kWh pro umgerüstetem BoP.

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