Erdgasreforming für PEM Brennstoffzellen

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1 Erdgasreforming für PEM Brennstoffzellen Neue Entwicklungen und Tendenzen Dipl.-Ing Ing.. Jan Gerber Dr.-Ing Ing. Hartmut Krause Dipl.-Ing Ing. Katrin Grosser Dipl.-Ing Ing. Jörg Nitzsche Dipl.-Ing. Jan Gerber 1

2 Inhalt 1. Motivation, Projektpartner, Projekte 2. Reformatgaserzeugungssystem 3. Ergebnisse zum stat. und dyn. Betrieb 4. Ausblick Dipl.-Ing. Jan Gerber 2

3 Motivation! Entwicklung von Brennstoffzellen-BHKW BHKW für den Leistungsbereich 4?? kw elektrischer Leistung Brennstoffzellen-Mini Mini-BHKW! Entwicklung peripherer Aggregate und Baugruppen Brennstoffzellen-Stackmodule Stackmodule,, Wasserstofferzeuger! Betriebsoptimierung von Brennstoffzellen-Mini Mini-BHKW! Einsatzgebiete: - Forschungs- und Demonstrationsanlagen - dezentrale stationäre Energieerzeuger für Stadtwerke, Gewerbebetriebe Mehrfamilienhäuser Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 3

4 Entwicklungsteam S&R Schalt- und Regeltechnik GmbH J. Arnold, F. Beckmann, Ch. Hildebrand H. Schneider DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH W. Kühne, St. Giesel M. Schilling Projekte seit 2000 TU Bergakademie Freiberg IWTT / HTA H. Krause, K. Grosser, J. Gerber, J. Nitzsche Entwicklung und Feldtest von stationären PEM-Brennstoffzellenanlagen für die dezentrale Energieversorgung im Leistungsbereich bis 12 kw, Sächsische Aufbaubank (SAB) und das SMWA Komponentenentwicklung für skalierbare erdgasbetriebene Brennstoffzellen- BHKW in der dezentralen Energieversorgung, BMWA Entwicklung eines integrierten Dampfreformers für erdgasbetriebene Brennstoffzellenheizgeräte, InnoRegio-Projekt RIST Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 4

5 Übersicht realisierter Versuchs- und Feldtestanlagen Versuchsanlagen 1-kW-Teststand für PEM-Stacks (S&R) Katalysatorversuchstand (Erweiterung, TU BA) Komponententestanlage (TU BA, TGZ Glaubitz) Brennerversuchstand (DBI) 4-kW-Teststand (Reformer + Stackperipherie) Feldtestanlagen Stadtwerke Riesa 4 kw el. (12/2003) IMG Nordhausen 3 kw el. (12/2004) Stadtwerke Chemnitz 4 kw el. (04/2005) Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 5

6 Mehrstoff-Oberflächenbrenner für die Reformerbeheizung hohe gleichmäßige Leistungsdichte niedrige Abgasemissionen CO < 10 ppm, No x < 10 ppm Regelbereich % Verbrennung von Erdgas und rückgeführtes Restgas aus dem Stack Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 6

7 Bisher realisierte Versuchs- und Feldtestanlagen 1 Versuchsanlage im Technologieorientierten Gründerzentrum (TGZ) Glaubitz Erste Feldtestanlage bei den Stadtwerken Riesa Inbetriebnahme 05/2003 Inbetriebnahme 12/2003 Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 7

8 Bisher realisierte Versuchs- und Feldtestanlagen 2 Kompakt Erdgas-Dampf Dampf-Reformer 4-kW4 kw-teststand, Standort s&r Schalt- und Regeltechnik GmbH, Berlin Zweite Feldtestanlage für IMG Nordhausen Inbetriebnahme 04/2004 Inbetriebnahme 12/2004 Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 8

9 Bisher realisierte Versuchs- und Feldtestanlagen 3 PEM-Brennstoffzellen Brennstoffzellen-Stack-Prüfstand kw el. Energieträger: Wasserstoff Reformat Wasserstoffumsatz: bis 85 % Betriebstemperatur: bis 80 C Stromkennzahl bei Nennlast: 1 Regelbereich: 4 : 1 Lastwechsel %: 3 min Integrierte Luftversorgung mit Feuchterückführung aus der Abluft Inbetriebnahme 12/2004 Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 9

10 Inhalt 1. Arbeitsgruppe, bisherige Projekte 2. Reformatgaserzeugungssystem 3. Ergebnisse zum stat. und dyn. Betrieb 4. Ausblick Dipl.-Ing. Jan Gerber 10

11 Reformierungsverfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Methan Dampfreformierung Autotherme Reformierung Partielle Oxidation Reforming- Reaktionen CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 2CH 4 + O 2 2CO + 2H 2 2CH 4 + O 2 2CO + 2H 2 Energiebedarf Q > 0 Q = 0 Q < 0 CO-Konvertierung (Shift-Reaktion) CO + H 2 O CO 2 + H 2, Q < 0 CO-Feinreinigung Selektive Oxidation 2CO + O 2 2CO 2, Q < 0 alternativ: Methanisierung CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O, Q < 0 Wasserstoffgehalte Primärgas: Erdgas - Maximal - Typisch 80 % 75 % 45 % 40 % 34 % 31 % Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 11

12 Verdampfer Reformer Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Anlagenschema Reformatgaserzeugungssystem + BZ Konditionierer Schichtspeicher/ Wärmeabnahme HT TT SelOx Entschwefelung Erdgas Mehrstoff- Oberflächen- Brenner CO-Konvertierung und Feinreinigung Restgas-Rückführung Brennstoffzellenstack Wechselrichter Wasser Verdichter Befeuchter Luft Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 12

13 Katalysatorversuchstand an der TU Bergakademie Freiberg, Auswahl der untersuchten Reforming-Katalysatorkonfigurationen Katalysator Bild Aktive Komp. H2-Ausbeute Metallmonolith (gewickelt) Ni / Edelmetalle auf ZrO 2 > 40 % Monolith (Keramik) quadratische Kanäle Edelmetalle auf? 45 % Metallfasern (gesintert) Ni in Faser % Nickelschaum Edelmetalle auf γ-al 2 O % Kugeln Ø mm Nickel 33 % Granulat mm Edelmetalle 48 % Raschigringe L 4 mm Nickel 25 % Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 13

14 Inhalt 1. Motivation, Arbeitsgruppe, bisherige Projekte 2. Reformatgaserzeugungssystem 3. Ergebnisse zum stat. und dyn. Betrieb 4. Ausblick Dipl.-Ing. Jan Gerber 14

15 Kompakt Erdgas-Dampf Dampf-Reformer Gaszusammensetzung (tr.): H % CH 4 1 2,5 % CO % CO < 15 ppm Restfeuchte: > 95% r.f. Reformattemperatur: C Abgastemperatur C Vorwärmzeit aus dem Kaltzustand: nach > 24 h Pause: 2,25 h Regelbereich: 4 : 1 Lastwechsel %: < 20 min Wasserstoffleistung: 4,3 m³/h i.n. Methanumsatz 90 bis 95% Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 15

16 Anfahrphase, Gasqualität t CO [ppm], Inbetriebnahme Brenner, Reformer [ C] Start 500 (Anlage s&r) Resultierende Aufheizzeit: 02:08 h (Anlage IMG) Resultierende Aufheizzeit: 01:46 h :00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4: Verdampfer, CO-Konvertierung, Selektive Oxidation [ C]; CO [ppm] Reformer Brenner Verdampfer CO-Konvertierung CO-Restgehalt Selektive Oxidation Prozessdauer [h:min] Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 16

17 Gaszusammensetzung nach Reformer bei dynamischer Betriebsweise CH 4 [Vol%] H 2, rel. Leistung [%], CO [ppm] :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 Restmethangehalt Restkohlenmonoxidgehalt Zeit [h:mm] Wasserstoffgehalt rel. Leistung (100 % rel. Reformerleistung 4,0 m³/h m H 2 ) 0 Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 17

18 Durchschnittliche Gaszusammensetzung im stationären Betrieb und Wasserstoffnutzungsgrad 6 80 CO [ppm], CH 4 [%] η H 2 = P EG PH 2 + P Re st Wasserstoff-Nutzungsgrad, H 2 [%] Restkohlenmonoxidgehalt Restmethangehalt 60 Rel. Reformerleistung [%] Wasserstoffgehalt Wasserstoff-Nutzungsgrad (100 % rel. Reformerleistung 4,0 m³/h m H 2 ) Dipl.-Ing. Jan Gerber j.gerber@iwtt.tu-freiberg.de 18

19 Inhalt 1. Motivation, Arbeitsgruppe, bisherige Projekte 2. Reformatgaserzeugungssystem 3. Ergebnisse zum stat. und dyn. Betrieb 4. Ausblick Dipl.-Ing. Jan Gerber 19

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