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

Abgas

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

Luft

Abgas

Reformer Reformer

Wärmetauscher Wärmetauscher

Kraftstoff

Wasser

Luft

Rekuperation

Abgas

M M

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

LHVm

P

*

Motor

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

M

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

0

20

40

60

80

100

600 650 700 750 800 850 900

Zusa

mm

ense

tzu

ng

des

re

form

iert

en K

raft

sto

ffs

[v.%

dry

]

Temperatur [°C]

CH4

CO2

CO

H2

0

20

40

60

80

100

2 3 4 5

Zusa

mm

ense

tzu

ng

des

re

form

iert

en K

raft

sto

ffs

[v.%

dry

]

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


MGT

System

Kraftstoff

42 kW

Abgas

37 kW

Strom 5 kW

ηe = 12% ηe = 12%

Brenner Brenner

Turbine Turbine Luft

Strom

Abgas

Kraftstoff

Kompressor

MGT: Referenzmodell MGT: Referenzmodell

p=3 bar

ηisen=0,72 ηisen=0,73


DLR.de • Folie 9


Luft

vorgewärmte Luft

Strom

Abgas

Kraftstoff Brenner Brenner

Turbine Turbine

Rekuperator Rekuperator

Thermische Rekuperation Thermische Rekuperation

MGT

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)

MGT

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

Luft

Strom

Abgas

Split Split

Verdampfer Verdampfer

Kompressor

MGT

System Kraftstoff

18,5 kW Abgas 13,5 kW

Strom 5 kW

MGT

+

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

Luft

Strom

Abgas

Split Split Reformer Reformer

Rekuperator Rekuperator

Kompressor

MGT

System Kraftstoff

16 kW Abgas 11 kW

Strom 5 kW

MGT

+

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


MGT

System

Kraftstoff

42 kW

Abgas

37 kW

Strom 5 kW

Referenzmodell

MGT + Kraftstoff-Reformierung (715 °C)

MGT

+

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%

MGT

+

Rekup.

Kraftstoff

16 kW Abgas 11 kW

Strom 5 kW

MGT

+

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

26

28

30

32

34

600 650 700 750 800

Str

om

eff

izie

nz [

%]

Temperatur [°C]

S/C 2

S/C 2.5

S/C 3

S/C 3.5

S/C 4

Wärmebedarf Wärmebedarf

Abwärme zur

Nutzung

Abwärme zur

Nutzung

fuelfuel

output

LHVm

P

*


Kompressor Turbine

Kraftstoff

Pumpe 2

Luft

HEX3

HEX1

Pumpe 1 HEX2

Reformer

Wasser

H2, CH4, CO

685 ̊C

790 ̊C

Strom

Wärmebedarf (Q4)

HEX0Brenner

Abgas

Abwärme

Q1

Q2

Q3

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

200

400

600

800

0 10 20 30 40 50

Te

mp

era

tur

[°C

]

Enthalpie [kW]

Cold composite curve

Hot composite curve

∆ 𝑇=23 K

Pinch

∆ 𝑇=20 K

26

28

30

32

34

600 650 700 750 800

Str

om

eff

izie

nz [

%]

Temperatur [°C]

S/C 2

S/C 2.5

S/C 3

S/C 3.5

S/C 4


Kompressor Turbine

Kraftstoff

Pumpe 2

Luft

HEX3

HEX1

Pumpe 1 HEX2

Reformer

Wasser

H2, CH4, CO

685 ̊C

790 ̊C

Strom

Wärmebedarf (Q4)

HEX0Brenner

Abgas

Abwärme

Q1

Q2

Q3

715 ̊C

140 ̊C

COMPRESS

TURBINE

BURNER

REFORM ER

P001

P002

HEX-R

SPLIT

HEX-1

HEX-3

HEX-2

HEX-4

MIXER

FILTER

AIR

C-AIR

C8H18

HOTGAS

FLUEGAS

WORKW

COMP-W

PH-AIR

REFOM ATE

H2O

STEAM

GAS2

P-C8H18

PW

PREC8H18

S01

S03

S02

S11

S13 S12

PHW

S21

Q

EXGAS

FEED

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

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

1 kW

Verluste in

d. Turbine

1 kW

Verluste im

Wärmetauscher-

netzwerk 0,5 kW

Verluste im

Reformer

0,5 kW

Verluste im

Brenner

1 kW

Verluste in

d. Turbine

1 kW

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

[email protected]

Danksagung:

Jan Zanger (VT)

Thomas Krummrein (VT)

Torsten Ascher (TT)

Friedemann Albrecht (TT)

Thermische Rekuperation in Fahrzeugen

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

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

H-2

H-3

H-4

H-1

H-2

H-3

H-4

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

H-5

Reformer

Fuel

Water

Air

Turbine outlet gas

160 °C

T ≥ 180 °C

140 °C

Reformer Reformer Luft Luft Kraftstoff Kraftstoff

Verdampfung Verdampfung Überhitzung Überhitzung


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