Bewertung unterschiedlicher Prozesskonzepte zur On-board ...

17. März 2010

Bewertung unterschiedlicher Prozesskonzepte zur On-board-Reformierung von Flüssigbrennstoffen

Jahrestreffen der ProcessNet-Fachausschüsse Energieverfahrenstechnik und

Gasreinigung 17. – 18. März 2010, Dortmund

Stefan Martin, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für

Technische Thermodynamik, Stuttgart

Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 2

Motivation und Aufgabenstellung

Zunehmende Bedeutung der elektrischen Energieversorgung im mobilen Bereich

Kfz: Verdopplung des elektrischen Energiebedarfs in den nächsten 10 Jahren

Flugzeug: „more

electric

aircraft“-Konzept

Ersatz herkömmlicher Bordstromversorgungssysteme durch gekoppelte Reformer-

Brennstoffzellen-Systeme verspricht höhere Wirkungsgrade

Bewertung unterschiedlicher Prozesskonzepte für die On-board-Reformierung

von Flüssigbrennstoffen (für HT-PEM-Anwendungen)


Klassische Reformierungsverfahren

Dampfreformierung(engl.: steam reforming, SR)

Autotherme Reformierung(engl.: auto-thermal reforming, ATR)

Partielle Oxidation(engl.: catalytic

partial oxidation, CPOX)

∙

Dampfreformierung Cn Hm + n H2 O →

n CO + (n+1/2m) H2 Cn Hm + n H2 O →

n CO + (n+1/2m) H2 -Methanisierung 3 H2 + CO ↔

CH4 + H2 O 3 H2 + CO ↔

CH4 + H2 O 3 H2 + CO ↔

CH4 + H2 O

Wassergas-Shift CO + H2 O ↔

H2 + CO2 CO + H2 O ↔

H2 + CO2 -Partielle Oxidation - Cn Hm + n/2 O2 →

n CO + m/2 H2 Cn Hm + n/2 O2 →

n CO + m/2 H2


Warum Flüssigbrennstoffe?

Hohe Energiedichte

Erdgas (1 bar) CNG* (200 bar) Methanol Bioethanol Biodiesel Pflanzenöl Diesel

volumetrische Energiedichte Hu (kWh/l)

~ 0,01 ~ 2 4,8 5,87 8,9 9,2 9,8

Faktor 0,005 1 2,4 2,9 4,5 4,6 4,9

+ Nachhaltige H2

-Erzeugung aus Biokraftstoffen (Biodiesel, Bioethanol, Pflanzenöl) möglich

APU-Anwendung Art der Stromerzeugung Stromverbraucher ηel

Flugzeug mit Kerosin befeuerte Gasturbine Energieversorgung am Boden, Starten der Triebwerke

ca. 15-18 %

*CNG: Compressed

Natural

Gas

Möglichkeit der Nutzung des mitgeführten Kraftstoffs für

APU*-Anwendungen: Ersatz konventioneller Hilfsturbinen durch gekoppelte Reformer-Brennstoffzellensysteme

*APU: Auxiliary Power Unit (Hilfsturbine)


Auswahl und Bewertung der Prozesskonzepte

Bewertungskriterien:

Produktgaszusammensetzung, H2 -Effizienz, Energetischer

Gesamtwirkungsgrad (mit Wärmeintegration), dynamisches Verhalten, apparativer

Aufwand, Anforderungen an Schwefelgehalt

Simulationstool: Aspen Plus →

Abbildung der Flüssigbrennstoffe als Modellgemisch auf Basis gaschromatographischer Analysen

./

22

)()()()(

elHeizKühlu

uGes PQBrennstoffHBrennstoffm

HHHm

)()(

)()( 222 BrennstoffHBrennstoffm

HHHm

u

uH

Konzept 1: Dampfreformierung + Wassergas-Shift

Konzept 2: Autotherme Reformierung + Wassergas-Shift

Konzept 3: Partielle Oxidation + Wassergas-Shift


SR-Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft, S/C: 3)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Reformertemperatur (°C)

Kon

zent

ratio

n (V

ol.-%

)

H2 CO CO2 CH4 H2O

SR: Steam Reforming

Cn Hm + n H2 O →

n CO + (n+1/2m) H2

3 H2 + CO ↔

CH4 + H2 O

CO + H2 O ↔

H2 + CO2


ATR-Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft, S/C: 3)

ATR: Autothermal Reforming

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Luftzahl

Kon

zent

ratio

n (V

ol.-%

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Ref

orm

erte

mpe

ratu

r (°C

)

H2 CO CO2 CH4 N2 H2O T

1


POX-Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft)

POX: Partial Oxidation

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Luftzahl

Kon

zent

ratio

n (V

ol.-%

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

Ref

orm

erte

mpe

ratu

r (°C

)

H2 CO CO2 CH4 N2 H2O T

1


Zusammenfassung “Produktgaszusammensetzung“ (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft, S/C: 3)

max. H2 -Konz. (Vol.-%, trocken)

Temperatur (°C) Luftzahl λ

Steam

Reforming

(SR) 72 715 -

Autotherme Reformierung (ATR) 46 565 0,20

Partielle Oxidation (POX) 27 1070 0,33

H2

-Konz. im Produktgas: SR > ATR > POX

Nachteil ATR/POX: Verdünnung durch Luftstickstoff, POX: Hohe CO-Konz. im Produktgas

Fazit: Produktgaszusammensetzung für Bewertung nur bedingt geeignet, da Verdünnungseffekte

durch N2

, H2

O. Besser: H2

-Effizienz bzw. Energetischer Gesamtwirkungsgrad


Prozesskonzept 1, ohne WärmeintegrationDampfreformierung + WGS

H2

Schnittstelle

Reformer-PEM: feuchtes Gasgemisch, T=160 °C

H2 O

Diesel

Randbedingungen:

S/C: 3 Druck: atm.Temperaturführung Reformer: isothermTBrenner

: 900 °C, λBrenner

= 1,1TWGS

: 250 °C

Luft

Abgas


Prozesskonzept 1, mit WärmeintegrationDampfreformierung + WGS

160 °C

180 °C

H2 O

Luft

Diesel

Diesel-Brenner

H2

Abgas


Prozesskonzept 2, ohne WärmeintegrationAutotherme Reformierung + WGS

Schnittstelle


Randbedingungen:

S/C: 3 Druck: atm.Temperaturführung

Reformer: adiabatTWGS

: 250 °

H2 O

Luft

Diesel

H2


Prozesskonzept 2, mit WärmeintegrationAutotherme Reformierung + WGS

H2 O

Luft

Diesel

H2


Prozesskonzept 3, ohne WärmeintegrationPartielle Oxidation + WGS

Schnittstelle


Randbedingungen:

Druck: atm.Temperaturführung

Reformer: adiabatTWGS

: 250 °

Luft

Diesel

H2


Prozesskonzept 3, mit WärmeintegrationPartielle Oxidation + WGS

Luft

Diesel

H2


Konzept 1: Dampfreformierung + WGS

H2 -Effizienz und Energetischer Wirkungsgrad (Beispiel: Diesel)

35

45

55

65

75

85

95

105

115

125

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Reformertemperatur (°C)

Wirk

ungs

grad

(%)

H2-Effizienz

Energetischer Wirkungsgrad (mit Wärmeintegration)

117 %

76 %



Konzept 2: Autotherme Reformierung + WGS

50

55

60

65

70

75

80

85

90

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

Luftzahl

Wirk

ungs

grad

(%)

500

600

700

800

900

1000

1100

Tem

pera

tur (

°C)

H2-Effizienz


Reformatgastemperatur

85 %



Konzept 2: Autotherme Reformierung + WGS

50

55

60

65

70

75

0,40 0,41 0,42 0,43 0,44

Luftzahl

Wirk

ungs

grad

(%)

500

600

700

800

900

1000

1100

Tem

pera

tur (

°C)

vollständige Verdampfungdes Wassers

T < 1000 °C

H2-Effizienz


Reformatgastemperatur

67,3 %


Vergleich der Prozesskonzepte (am Beispiel von Diesel/Biodiesel)

66

74

84

75

117

67

75

85

76

117

0

20

40

60

80

100

120

EnergetischerWirkungsgrad

(S/C=3)


(S/C=2)

H2-Effizienz(S/C=3)


(S/C=3)

H2-Effizienz(S/C=3)

Biodiesel Diesel

Konzept 1 (ATR + WGS)Konzept 2 (SR + WGS)

H2 -Effizienz (ohne Wärmeintegration) ist bei der Dampfreformierung deutlich höher als bei der Autothermen Reformierung

Vergleicht man jedoch den energetischen Wirkungsgrad (mit vollständiger Wärmeintegration), liegen beide Konzepte gleichauf.

→

ATR konkurrenzfähig mit Dampfreformierung!


EinsatzstoffSteam Reforming SR

(S/C=3)Autotherme Reformierung ATR


(S/C=2) Partielle Oxidation POX

Biodiesel 75 % (TSR

: 700 -

950 °C) 66 % (TATR

: 828 °C λ: 0,44) 74 % (TATR

: 744 °C λ: 0,36) -

Bioethanol 76 % (TSR

: 700 -

950 °C) - - -

Diesel 76 % (TSR

: 700 -

950 °C) 67 % (TATR

: 799 °C λ: 0,43) 75 % (TATR

: 711 °C λ: 0,36) 40 % (TPOX

: 1280 °C λ: 0,33)

DME - 71 % (TATR

: 793 °C λ: 0,36 ) 78 % (TATR

: 700 °C λ: 0,29 ) -

Methanol - 67 % (TATR

: 772 °C λ: 0,40) 75 % (TATR

: 656 °C λ: 0,33) -

Kerosin - 55 % (TATR

: 865 °C λ: 0,54) 67 % (TATR

: 820 °C λ: 0,43) -

Maximal erreichbare energetische Wirkungsgrade für verschiedene Flüssigbrennstoffe

Autotherme Reformierung prinzipiell konkurrenzfähig mit Steam Reforming, aber:

Luftzahl nur innerhalb enger Grenzen variierbar (→

instabiler Betriebspunkt)


EinsatzstoffSteam Reforming SR



(S/C=2) Partielle Oxidation POX

Biodiesel 34 % (TSR

: 700 -

950 °C) 30 % (TATR

: 828 °C λ: 0,44) 33 % (TATR

: 744 °C λ: 0,36) -

Bioethanol 34 % (TSR

: 700 -

950 °C) - - -

Diesel 34 % (TSR

: 700 -

950 °C) 30 % (TATR

: 799 °C λ: 0,43) 34 % (TATR

: 711 °C λ: 0,36) 18 % (TPOX

: 1280 °C λ: 0,33)

DME - 32 % (TATR

: 793 °C λ: 0,36 ) 35 % (TATR

: 700 °C λ: 0,29 ) -

Methanol - 30 % (TATR

: 772 °C λ: 0,40) 34 % (TATR

: 656 °C λ: 0,33) -

Kerosin - 25 % (TATR

: 865 °C λ: 0,54) 30 % (TATR

: 820 °C λ: 0,43) -

Maximal erreichbare elektrische Wirkungsgrade (gekoppeltes Reformer-HT-PEM-System)

Anmerkung: Für die Berechnung der elektrischen Wirkungsgrade wurde ein Brennstoffzellenwirkungsgrad von45 % zu Grunde gelegt.


Abschließende Bewertung der Prozesskonzepte zur On- board-Reformierung von Flüssigbrennstoffen (Rangfolge)

Konzept 1: Dampfreformierung +

WGS

Konzept 2: Autotherme

Reformierung + WGS

Konzept 3: Partielle

Oxidation + WGS

H2 -Ausbeute 1 2 3

Produktgaszusammensetzung 1 2 3

Energet. Wirkungsgrad (mit Wärmeverschaltung) 1/2 1/2 3

Dynamisches Verhalten 3 2 1

Apparativer Aufwand 3 2 1

Schwefelresistenz 3 1/2 1/2

Leitkonzept für die H2 -Erzeugung aus Flüssigbrennstoffen für HT-PEM-Anwendung: Autotherme Reformierung + WGS

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