Numerische Auslegung und CFD-Simulation einer Anlage zur Nutzung biogener Energieträger in Brennstoffzellen

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1 Numerische Auslegung und CFD-Simulation einer Anlage zur Nutzung biogener Energieträger in Brennstoffzellen Dr. Wolfram Heineken, Dipl.-Ing. T. Birth Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) Magdeburg

2 Inhalt Projekt Green-FC Auslegung der Anlage CFD-Simulation 2

3 Projekt Green-FC öffentlich gefördertes Projekt (Investitionsbank Sachsen-Anhalt) Projektpartner PSFU GmbH Wernigerode (Metallbearbeitung, Brennstoffzellen) FuelCon Barleben (Brennstoffzellen) Dr. Weigel Anlagenbau GmbH Magdeburg (Industrieanlagen) Dr. Ecklebe GmbH Reddeber (Automatisierungstechnik) Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (Verfahrenstechnik, Elektrotechnik) Fraunhofer IFF Magdeburg (Entwicklung von Energiewandlungsanlagen) Ziel: Entwicklung und Aufbau einer Laboranlage Biogas Wasserstoff Elektroenergie Reformierung Brennstoffzelle 3

4 Projekt Green-FC Vorteile der Technologie gegenüber Heizkraftwerk hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzelle auch bei Teillast Leistung gut regelbar geringer Wartungsaufwand geringe Schall- und Schadstoffemission Projektstand Entwicklung, Auslegung, numerische Simulation der Anlage durchgeführt Aufbau der Anlage nicht realisiert (Insolvenz eines Projektpartners), daher keine Evaluierung der Simulationsergebnisse 4

5 Aufbau der Anlage 5

6 Ziele der Untersuchungen Optimierung der Wasser- und Luft-Volumenströme in den Reformer optimale Temperatur im Reformer Abschätzung des Wirkungsgrades Berechnung des chemischen Gleichgewichts konstruktive Gestaltung des Reformers gute Durchmischung hoher Methanumsatz CFD-Simulation Optimierung des Wärmeeintrages durch den Nachbrenner 6

7 Reformer mit Nachbrenner 7

8 Berechnung des chemischen Gleichgewichts im Reformer 4 Schlüsselreaktionen Methan-Oxidation CH O 2 CO H 2 O Methan-Reformierung CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 homogene Wassergas-Reaktion ( water gas shift, WGS) CO + H 2 O CO 2 + H 2 Boudouard-Reaktion (Rußbildung soll vermieden werden!) 2 CO CO 2 + C Katalysator 7 bis 25 % Ni O auf Cl Al 2 O 4 oder α-al 2 O 3 Einsatztemperatur 700 C bis 850 C 8

9 Auslegung des Reformers Biogas: 50 % Methan, 50 % Kohlendioxid Volumenstrom Biogas: 1 Nm³/h thermische Leistung Methan: 5 kw adiabat: kein Wärmeübergang über die Wand autotherme Methan-Dampfreformierung Methan-Oxidation (exotherm) liefert Energie für Methan-Reformierung (endotherm) isotherm: Temperatur Zufluss = Temperatur Abfluss, bezeichnet als Temperatur Reformer, T Ref chemisches Gleichgewicht bei Ausströmung 3 Parameter noch zu bestimmen: T Ref Volumenverhältnis O 2 /CH 4 im Zufluss, bezeichnet als O 2 /C Volumenverhältnis H 2 O/CH 4 im Zufluss, bezeichnet als S/C 9

10 Auslegung des Reformers Die drei zu bestimmenden Parameter sind voneinander abhängig. Stoffbilanz Energiebilanz chemisches Gleichgewicht nur noch 2 freie Parameter festzulegen: S/C und T Ref 10

11 WGS-Reaktor Brennstoffzelle (HT-PEMFC, High Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cell ) verträgt maximal 3 Vol.-% CO adiabater WGS-Reaktor zur Senkung des CO-Gehalts homogene Wassergas-Reaktion ( water gas shift, WGS) Katalysator CO + H 2 O CO 2 + H 2 Fe 3 O 4 + Cr 2 O 3 aktiv ab 350 C erwünschte WGS-Hinreaktion dominiert bei niedriger Temperatur WGS-Hinreaktion exotherm Festlegung: WGS-Reaktor Zufluss 350 C keine weiteren freien Parameter 11

12 Wasserstoff-Ausbeute Stoffbilanz, Energiebilanz, chemisches Gleichgewicht in Reformer und WGS-Reaktor liefert 12

13 Fazit geringe T Ref erhöht Wasserstoff-Ausbeute T Ref 700 C für Reformer-Katalysator Festlegung: T Ref = 700 C S/C 2,8 damit CO-Gehalt kleiner als 3 % weitere Steigerung von S/C erhöht Energiebedarf für Verdampfung bei nur Festlegung: S/C = 2,8 geringem Zuwachs an H 2 es folgt O 2 /C = 0,435 Anteil von CH 4, der verbrannt wird: (O 2 /C) / 2 = 21,75 % Gleichgewichtsrechnung für Boudouard-Reaktion: keine Rußbildung für diese Parameter 13

14 Brennstoffzelle HT-PEMFC ( High Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cell ) Reaktion 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Annahmen H 2 -Umsatz 75 % Luftzufuhr: Sauerstoff vollständig verbraucht elektrischer Wirkungsgrad 50 %, bezogen auf oberen Heizwert H 2 14

15 Nachbrenner Brenngas aus Brennstoffzelle 2,0 % CO 5,7 % H 2 0,04 % CH 4 sonst H 2 O, CO 2, N 2 3 Reaktionen 2 H 2 + O 2 2 H 2 O 2 CO + O 2 2 CO 2 CH O 2 CO H 2 O Luftzufuhr entsprechend λ = 1,2 Zündquelle 100 W 15

16 Energiebilanz Biogas in Reformer 4,97 kw (auf unteren Heizwert bezogen) Energieaufwendung für Heizung, Verdampfung, Zündquelle 2,00 kw elektrische Leistung Brennstoffzelle 2,54 kw elektrischer Wirkungsgrad der Anlage 36,4 % (vgl. BHKW 25 bis 38 %) 16

17 CFD-Simulation Reformer + Nachbrenner Ansys Workbench 15.0, CFD mit Fluent Vernetzung: 1,25 Millionen Zellen 17

18 CFD-Simulation Reformer + Nachbrenner stationär Turbulenz: kω-sst (Menter) Strahlung: Modell der diskrete Ordinaten (Chui & Raithby) Katalysator-Schüttung: poröses Medium Reaktionskinetiken Reformer Methan-Reformierung: Numaguchi & Kikuchi Homogene Wassergas-Reaktion: Numaguchi & Kikuchi Methan-Oxidation: De Smet et al. Approximation durch Arrhenius-Form Reaktionskinetiken Nachbrenner Wasserstoff-Oxidation: Fluent-Datenbank Kohlenmonixid-Oxidation: Fluent-Datenbank Methan-Oxidation: Fluent-Datenbank 18

19 Temperatur geringe Temperaturdifferenzen in der Schüttung 19

20 Wasserstoff 20

21 Methan 21

22 Volumenanteil Kohlenmonoxid Sauerstoff 22

23 Reaktionsraten Methan-Reformierung Methan-Oxidation kmol/(m³ s) kmol/(m³ s) 23

24 Gleichgewicht im Reformer Gaszusammensetzung bei Ausströmung nahe am chemischen Gleichgewicht Temperatur Ausströmung 677 C Gleichgewicht 700 C 24

25 Weitere Ergebnisse und Schlussfolgerungen Umsatz von Methan im Reformer 91,2 % in Simulation erreicht 99,5 % maximal erreichbar (chemisches Gleichgewicht) leichte Verbesserung möglich durch Vergrößerung des Reformers Umsatz im Nachbrenner Wasserstoff 100 % Kohlenmonoxid 80,8 % Nachbrenner zieht dem Reformer 221 W Wärme ab Vorschlag: mehr Energie in Nachbrenner, dafür weniger Methan im Reformer oxidieren 25

26 Veröffentlichungen Fachtagungen Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Energieverfahrenstechnik 2013, Würzburg 7. Rostocker Bioenergieforum rd International Conference on Energy Process Engineering (ICEPE) 2013, Frankfurt a. M. 21 st European Biomass Conference and Exhibition (EUBCE) 2013, Kopenhagen Zeitschrift T. Birth, W. Heineken, L. He: Preliminary design of a small-scale system for the conversion of biogas to electricity by HT-PEM fuel cell. Biomass and Bioenergy 65 (2014)

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Wolfram Heineken Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Sandtorstr. 22, Magdeburg Telefon: +49 (0) gefördert durch: Investitionsbank Sachsen-Anhalt 27

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