NGC-AS-V4 - TP4000 Speicher · = 3,5 bar S/C 4 • S/C = 3,1 DLR.de • Folie 14 Wärmeintegration...

Endotherme Reformierung:

thermo-chemische Rekuperation zur Erhöhung des

Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren

Jiafei Zhang, Saiman Ding, Ralph-Uwe Dietrich

Institut für Technische Thermodynamik

Thermische Prozesstechnik

Alternative Brennstoffe

Stuttgart, 25.01.2017

Thermische Rekuperation in Fahrzeugen

Einleitung: Konzeptvergleich

• Konventioneller Motor

• Modifizierter Prozess

(Abwärmenutzung mittels endothermer Reformierung)

Simulation endothermer Reformierung

Fallstudie: MGT-Prozess

Strategien zur Wirkungsgradsteigerung

Fließbildsimulation in Aspen Plus

Wärme- und Prozessintegration

Energieanalyse

Zusammenfassung und Ausblick

DLR.de • Folie 2

Agenda

> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017

Kraftstoff + Luft

Abwärme-

nutzung

Abwärme-

nutzung

(A) Konventioneller Verbrennungsmotor

• Heißes Abgas hoher Wärmeverlust! Wiedernutzung der Abwärme?

(B) Modifizierter Prozess mit thermo-chemischer Rekuperation

• Wärmerückgewinnung aus dem heißen Abgas

• zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades (η)

DLR.de • Folie 3

Einleitung: Prozessidee

Hohe Temp.:

500-800 °C

Hohe Temp.:

500-800 °C

Kraftstoff

Reformer Reformer

Wärmetauscher Wärmetauscher

Kraftstoff

Wasser

Rekuperation

Modifikation

Wärmerekuperation

Kraftstoff-Reformierung

Modifikation

Wärmerekuperation

Kraftstoff-Reformierung C8H18 + 8 H2O 𝑾ä𝒓𝒎𝒆

8 CO + 17 H2

Temp. Absenkung:

120-200 °C

Temp. Absenkung:

120-200 °C

Vorteile

Wirkungsgradsteigerung

Kraftstoffeinsparung

Bessere Verbrennung [1]

Geringere Emissionen

(CO, NOx, usw.) [2]

Nachteile

• Zusätzliche Geräte:

Reformer, Wassertank,

Wärmetauscher, usw.

• Anpassung der Motor-

steuerung erforderlich

DLR.de • Folie 4

Vergleich des Energieflusses

Modifizierter Prozess mit Kraftstoff-Reformierung Modifizierter Prozess mit Kraftstoff-Reformierung fuelfuel

output

Kraftstoff Abgas

Poutput

Kraftstoff Abgas

Poutput Motor Reformer

Thermo-chemische Rekuperation

Konventioneller Verbrennungsmotor Konventioneller Verbrennungsmotor η = 25-30 % η = 25-30 %

η = 32-40 % η = 32-40 %

Abwärme-

nutzung

Abwärme-

nutzung

1. J.F. Cassidy, 1977, NASA Technical Note: D-8487.

2. E.M. Goodger, 1980, Alternative Fuels, MacMillan.

Annahmen

• iso-Octan (C8H18) als die Hauptkomponente des Benzins

• Reaktionsgleichgewicht

• Modellierung: chemische Reaktionen durch Gibbs-Energie-Minimierung in Aspen Plus

• Idealer Katalysator: 100 % Umsatz und keine Koksbildung um T ≥ 600 °C und S/C ≥ 2 [3]

DLR.de • Folie 5

Endotherme Reformierung

Dampf-Reformierung C8H18 + 8 H2O → 8 CO + 17 H2 ∆𝐻298𝐾 = + 1274 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙_𝐶8 (𝐺𝑙. 1)

Wasser-Gas Shift CO + H2O ↔ C𝑂2 + H2 ∆𝐻298𝐾 = − 41 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙_𝐶𝑂 (𝐺𝑙. 2)

Methanisierung CO + 3H2 ↔ C𝐻4 + H2 ∆𝐻298𝐾 = − 206 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙_𝐶𝑂 (𝐺𝑙. 3)

Hauptreaktion Hauptreaktion

3. Springmann et al. 2002, Applied Catalysis A: General, 235

Reaktionsbedingungen

• Temperatur (T)

• Druck (p)

• Steam/Carbon

Molverhältnis (S/C)

DLR.de • Folie 6

Endotherme Reformierung

600 650 700 750 800 850 900

Temperatur [°C]

2 3 4 5

S/C [-]

S/C = 2 T = 700 °C

Simulationsergebnisse

T ↑, S/C ↑ und p ↓

yH2 ↑

Übersicht

• Zusammenarbeit mit DLR-Institut für Verbrennungstechnik (VT)

• Ziel: Nachweis der Wirkungsgradsteigerung anhand einer realistischen MGT

• Fließbildsimulation in Aspen Plus

• ideales Modell (ohne Wärmeverluste)

• Referenzmodell: MGT ohne Rekuperation

• Base-Case 1: MGT + thermische Rekuperation (Luft-Vorwärmung)

• Base-Case 2: MGT + thermische Rekuperation (Luft/Wasser-Vorwärmung)

• Neues System: MGT + thermo-chemische Rekuperation (Kraftstoff-Reformierung)

• realistisches Modell (mit Druck- und Wärmeverlusten)

• Base-Case 1 und Neues System

DLR.de • Folie 7

Fallstudie: Mikrogasturbinenprozess (MGT)

Fließbildsimulation und Black-Box Energieanalyse (5 kWe)

• Referenzmodell

MGT ohne Rekuperation

DLR.de • Folie 8

System

Kraftstoff

Strom 5 kW

ηe = 12% ηe = 12%

Brenner Brenner

Turbine Turbine Luft

Kraftstoff

Kompressor

MGT: Referenzmodell MGT: Referenzmodell

p=3 bar

ηisen=0,72 ηisen=0,73

DLR.de • Folie 9

vorgewärmte Luft

Kraftstoff Brenner Brenner

Turbine Turbine

Rekuperator Rekuperator

Thermische Rekuperation Thermische Rekuperation

System Kraftstoff

21 kW Abgas 16 kW

Strom 5 kW

Luftvorwärmung bis zu 685 °C

ηe = 24% ηe = 24%

• Base Case 1

Thermische Rekuperation (Luft)

System Kraftstoff

18 kW Abgas 13 kW

Strom 5 kW

Luftvorwärmung bis zu 727 °C

ηe = 28% ηe = 28%

Kompressor

p=3 bar

T=790 °C

DLR.de • Folie 10

• Base Case 2

Thermische Rekuperation (Luft+Wasser)

Dampferzeugung und -einspritzung

Brenner Brenner

Turbine Turbine

Rekuperator Rekuperator Wärmetauscher Wärmetauscher

Kraftstoff

Wasser

Split Split

Verdampfer Verdampfer

Kompressor

System Kraftstoff

18,5 kW Abgas 13,5 kW

Strom 5 kW

Luftvorwärmung (685 °C)

Dampfeinspritzung

(685 °C, S/C=5)

ηe = 27% ηe = 27%

Direktdampfeinspritzung Direktdampfeinspritzung

DLR.de • Folie 11

• Neues System

Brenner Brenner

Turbine Turbine

Wärmetauscher Wärmetauscher

Kraftstoff

Wasser

Split Split Reformer Reformer

Rekuperator Rekuperator

Kompressor

System Kraftstoff

16 kW Abgas 11 kW

Strom 5 kW

Luftvorwärmung (685 °C),

Dampferzeugung (715 °C),

Kraftstoff-Reformierung

(715 °C)

ηe = 32% ηe = 32%

Verdampfer Verdampfer

Überblick: Black-Box Energieanalyse einer 5-kWe-MGT

• Vergleich verschiedener Konzepte zur Abgaswärmenutzung

Beste Leistung: thermo-chemische Rekuperation (mit Kraftstoff-Reformierung)

DLR.de • Folie 12

System

Kraftstoff

Strom 5 kW

Referenzmodell

MGT + Kraftstoff-Reformierung (715 °C)

Rekup.

Kraftstoff

18,5 kW Abgas 13,5 kW

Strom 5 kW

MGT + Dampfeinspritzung (685 °C, S/C=5)

ηe = 12% ηe = 12%

ηe = 27% ηe = 27% ηe = 32% ηe = 32%

Rekup.

Kraftstoff

16 kW Abgas 11 kW

Strom 5 kW

Rekup.

Kraftstoff

21 kW Abgas 16 kW

Strom 5 kW

MGT + Luftvorwärmung (685 °C)

ηe = 24% ηe = 24%

Base-Case 1

Neues System Base-Case 2

Prozesssimulation

in Aspen Plus®

• ideales Modell

(ohne Wärmeverluste)

Einfluss der Temperatur

und des S/C-Verhältnisses

+ TRefm ↑ und S/C ↑

- TTurbine und QAbgas sind

beschränkt

Pinch-Analyse benötigt

DLR.de • Folie 13

Neues System:

Sensitivitätsanalyse

600 650 700 750 800

Temperatur [°C]

S/C 2.5

S/C 3.5

Wärmebedarf Wärmebedarf

Abwärme zur

Nutzung

Abwärme zur

Nutzung

fuelfuel

output

Kompressor Turbine

Kraftstoff

Pumpe 2

Pumpe 1 HEX2

Reformer

Wasser

H2, CH4, CO

685 ̊C

790 ̊C

Wärmebedarf (Q4)

HEX0Brenner

Abwärme

715 ̊C

140 ̊C

Pinch-Analyse

• Optimale Bedingungen:

• TRefm = 715 °C

• pRefm = 3,5 bar

• S/C = 3,1

DLR.de • Folie 14

Wärmeintegration

0 10 20 30 40 50

Enthalpie [kW]

Cold composite curve

Hot composite curve

∆ 𝑇=23 K

∆ 𝑇=20 K

600 650 700 750 800

Temperatur [°C]

S/C 2.5

S/C 3.5

Kompressor Turbine

Kraftstoff

Pumpe 2

Pumpe 1 HEX2

Reformer

Wasser

H2, CH4, CO

685 ̊C

790 ̊C

Wärmebedarf (Q4)

HEX0Brenner

Abwärme

715 ̊C

140 ̊C

COMPRESS

TURBINE

BURNER

REFORM ER

FILTER

HOTGAS

FLUEGAS

COMP-W

PH-AIR

REFOM ATE

P-C8H18

PREC8H18

S13 S12

DLR.de • Folie 15

Realistischer

Wirkungsgradgewinn

Reformer Reformer

Brenner Brenner

Verlustbehafteter Vergleich Base Case 1 und Neues System

• Realistisches Modell MGT (5 kWe)

mit Druck- und Wärmeverlusten

+ Luftvorwärmung

+ thermo-chemischer

Rekuperation

• Wirkungsgradsteigerung

20,3 % 26,0 %

Erhöhung: +5,7 %

• Kraftstoffverbrauch

2,0 kg/h 1,56 kg/h

Einsparung: -22 %

Verluste im Antriebs-

strang: 10%

Verluste im Antriebs-

strang: 10%

Wärmetauscher-netzwerk

MGT MGT

Realistisches Modell Realistisches Modell

Kompressor Kompressor

DLR.de • Folie 16

Energieanalyse

Base-Case 1: thermische Rekuperation (Luft) ↓

Neues System: thermo-chemische Rekuperation

(Kraftstoff-Reformierung) →

ηe = 20,3 % ηe = 20,3 %

Verluste im

Antriebsstrang

0,5 kW

Verluste im

Brenner

Verluste in

d. Turbine

Verluste im

Wärmetauscher-

netzwerk 0,5 kW

Verluste im

Reformer

0,5 kW

Verluste im

Brenner

Verluste in

d. Turbine

ηe = 26,0 % ηe = 26,0 %

mehr Abwärme

zurückgewonnen

mehr Abwärme

zurückgewonnen

Realistisches Modell Realistisches Modell

• Konzept „Integration der endothermen Kraftstoff-Reformierung in einen

Verbrennungsmotor“ erstellt

• Integrierter Prozess (MGT + Reformierung) ausgelegt und simuliert

• Wärmeintegration und Energieanalyse durchgeführt

• Ziel: Experimentelles Verbrennungssystem mit thermo-chemischen Rekuperation

Erhöhung des el. Wirkungsgrades einer realistischen 5-kW-MGT (20% 26%)

Verringerung des Kraftstoffverbrauchs (-22%)

Übertragung auf Range Extender Konzepte in Hybrid-Fahrzeugen?

Reduzierung der Schadstoffemissionen (CO, NOx, usw.)

experimenteller Nachweis?

DLR.de • Folie 17

Zusammenfassung

• Aufbau eines Laborteststandes

• Ankopplung an Motorprüfstand

• Detaillierte Modellierung und techno-ökonomische Bewertung

DLR.de • Folie 18

Ausblick

Gewicht

Emissionen

Effizienz

Ökonomie

Wartung

Markteinführung

Konventioneller MotorModifizierter Prozess

Bewertung:

Potenzial der Range Extender

Technologien

Bewertung:

Potenzial der Range Extender

Technologien

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Jiafei Zhang

TT-TPT-ABS

jiafei.zhang@dlr.de

Danksagung:

Jan Zanger (VT)

Thomas Krummrein (VT)

Torsten Ascher (TT)

Friedemann Albrecht (TT)

Thermische Rekuperation in Fahrzeugen

Wärmetauschernetzwerk

• Wärmeverbrauch:

Luftvorwärmung > Dampfüberhitzung > Reformierung > Kraftstoffvorwärmung

• Splitverhältnisse

• 0,927 (Luft)

• 0,050 (Dampf)

• 0,023 (Kraftstoff)

• Gestaltung

• Wärme

• Temp.

• Fläche

• usw.

DLR.de • Folie 20

Wärmeintegration

790°C 142 °CH-1

685 °C

715 °C

715.5 °C

715 °C

159 °C

3.29 kW1.67 kW

0.83 kW

28.99 kW

715 °C

161.1 °C

25.1 °C

25.4 °C

738 °C

T ≥ 181.1 °CH-5

3.97 kW

Reformer

Turbine outlet gas

160 °C

T ≥ 180 °C

140 °C

Reformer Reformer Luft Luft Kraftstoff Kraftstoff

Verdampfung Verdampfung Überhitzung Überhitzung

NGC-AS-V4 - TP4000 Speicher · = 3,5 bar S/C 4 • S/C = 3,1 DLR.de • Folie 14 Wärmeintegration...

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