Ein systemtechnischer Ansatz zur ein- und multikriteriellen Optimierung von Energiesystemen am Beispiel der SOFC-Prozesssynthese

Brennstoffzellensysteme sind komplexe Geräte, dessen Kosten bzw. Effizienz maßgeblich in der Konzeptionsphase bestimmt werden. In dieser Arbeit wird ein systemtechnischer Ansatz eingeführt, mit welchem eine effizienz- und kostenbezogene Optimierung in dieser Phase möglich wird. Das modellbasierte Verfahren wird an Beispielen entwickelt und für den Prozessentwurf eines SOFC-Systems eingesetzt.

Brennstoffzellensysteme sind komplexe Geräte mit verschiedenen Subkomponenten und Wechselwirkungen innerhalb dieses Systemverbundes. Die Kosten und elektrische Effizienz solcher Geräte werden bereits maßgeblich in der Konzeptionsphase durch die Festlegung auf einen Systemkonzept und die Auslegung der Komponenten bestimmt. In der Regel wird ein Konzept anhand empirischer Kriterien ausgewählt, systematische oder mathematische Optimierungsmethoden werden zur Lösung dieser komplexen Problemstellung kaum eingesetzt. In dieser Arbeit wird ein systemtechnisches Vorgehen zur mathematischen Prozessoptimierung eingeführt, mit welchem eine energetische bzw. eine kostenbezogene Optimierung zum Zeitpunkt der Konzeptionsphase möglich wird. Das modellbasierte Verfahren wird am Beispiel eines Heizkraftwerkes entwickelt und anschließend für den Prozessentwurf eines SOFC-Brennstoffzellensystems eingesetzt. Es wird gezeigt, wie unterschiedliche Konzepte effektiv analysiert und die optimalen Prozessparameter ermittelt werden. Mit dem Ansatz kann der Zielkonflikt zwischen Effizienz und Kosten modelliert und über die Pareto-Optimierung der beste Kompromiss bestimmt werden.

Klappentext

Brennstoffzellensysteme sind komplexe Geräte mit verschiedenen Subkomponenten und Wechselwirkungen innerhalb dieses Systemverbundes. Die Kosten und elektrische Effizienz solcher Geräte werden bereits maßgeblich in der Konzeptionsphase durch die Festlegung auf einen Systemkonzept und die Auslegung der Komponenten bestimmt. In der Regel wird ein Konzept anhand empirischer Kriterien ausgewählt, systematische oder mathematische Optimierungsmethoden werden zur Lösung dieser komplexen Problemstellung kaum eingesetzt. In dieser Arbeit wird ein systemtechnisches Vorgehen zur mathematischen Prozessoptimierung eingeführt, mit welchem eine energetische bzw. eine kostenbezogene Optimierung zum Zeitpunkt der Konzeptionsphase möglich wird. Das modellbasierte Verfahren wird am Beispiel eines Heizkraftwerkes entwickelt und anschließend für den Prozessentwurf eines SOFC-Brennstoffzellensystems eingesetzt. Es wird gezeigt, wie unterschiedliche Konzepte effektiv analysiert und die optimalen Prozessparameter ermittelt werden. Mit dem Ansatz kann der Zielkonflikt zwischen Effizienz und Kosten modelliert und über die Pareto-Optimierung der beste Kompromiss bestimmt werden.