CO/H 2 -Synthesegaserzeugung durch Benzinreformierung und Benzin/Reformat-Mischbetrieb von Otto-Motoren

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1 CO/H 2 -Synthesegaserzeugung durch Benzinreformierung und Benzin/Reformat-Mischbetrieb von Otto-Motoren Von der Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Felix Maus geboren in Mutlangen Hauptberichter: Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Gerhart Eigenberger, Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Horst Harndorf, Universität Rostock Tag der mündlichen Prüfung: Institut für Chemische Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart 2008

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3 Berichte aus der Verfahrenstechnik Felix Maus CO/H 2 -Synthesegaserzeugung durch Benzinreformierung und Benzin/Reformat- Mischbetrieb von Otto-Motoren 2 tieferstellen D 93 (Diss. Universität Stuttgart) Shaker Verlag Aachen 2009

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., tieferstellen Copyright Shaker Verlag 2009 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit im Bereich Forschung und Vorausentwicklung bei der Robert Bosch GmbH in Schwieberdingen. Zum Gelingen meiner Arbeit hat das positive Arbeitsklima in den Abteilungen CR/AEE und GS/ENA in großem Umfang beigetragen, wofür ich mich an dieser Stelle bei meinen Kollegen herzlich bedanken möchte. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Gerhart Eigenberger für die Betreuung und Förderung dieser Arbeit, die offenen und anregenden Diskussionen, in denen ich viele wertvolle Hinweise erhielt, und das große Interesse und Engagement an meiner Arbeit. Ebenso möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Horst Harndorf bedanken, der die Durchführung dieser Arbeit bei der Robert Bosch GmbH maßgeblich ermöglicht hat. Weiterhin danke ich ihm sehr für die freundliche Übernahme des Mitberichts. Allen Mitarbeitern der Robert Bosch GmbH, die mir während der gesamten Zeit mit Rat und Tat zur Seite standen, möchte ich an dieser Stelle ebenfalls danken. Meinen Dank richte ich insbesondere an Dr.-Ing. Frank Ilgner, Dr.-Ing. Volker Ricken und Dr.- Ing. Roderich Otte, die meine Arbeit wissenschaftlich begleitet haben und mit denen ich jederzeit inhaltliche Fragestellungen erörtern konnte. Herrn Marc Bareis danke ich für seine wertvolle Unterstützung bezüglich aller konstruktiver Fragestellungen. Ich möchte mich auch bei Dr.-Ing. Nils Steinbach bedanken, der meine Arbeit immer wieder hinterfragt hat und mit hilfreichen Anregungen das Fortkommen der Arbeit befördert hat. Weiterhin danke ich den Mitarbeitern der mechanischen Werkstatt, die mit sorgfältiger Arbeitsweise und spontaner Hilfsbereitschaft wesentlich zum Aufbau der Versuchseinrichtungen beigetragen haben. Am Ende gilt mein herzlicher Dank meinen Eltern Ingeborg und Ralf Maus, die mir diesen Weg eröffnet und die mich während der gesamten Zeit meiner Ausbildung stets gefördert und ermutigt haben. Nicht zuletzt danke ich meiner Frau Esther für ihr Verständnis und ihre Rücksichtnahme, durch die sie mich während der Entstehung dieser Arbeit in vielerlei Hinsicht unterstützt und entlastet hat. Herrenberg, November 2008 Felix Maus 3

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7 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis 25 Tabellenverzeichnis 29 Symbolverzeichnis 31 1 Einleitung Wasserstoff für mobile Anwendungen Treiber der Verbrauchs- und Emissionsreduzierung Beimischung von Wasserstoff zum Verbrennungsprozess Bereitstellung von Wasserstoff im Fahrzeug Aufgabenstellung und Aufbau der Arbeit Grundlagen und Literaturübersicht Synthesegas als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren Verwendung von Wasserstoff oder Synthesegas im Fahrzeug Gewinnung von Synthesegas aus Benzin Grundlagen der Kraftstoffreformierung Kriterien zur Bewertung der Reformierungsverfahren Chemisch-physikalische Eigenschaften von Benzin Reaktionen der Kraftstoffreformierung Reformierungsverfahren für mobile Anwendungen Betrachtung des chemischen Gleichgewichts und der Prozessführung Partielle Oxidation Partielle Oxidation mit Abgas-Reformierung Simulation der Wärmeintegration Untersuchungen zur Wasserstoffgewinnung Aufbau von Synthesegaserzeuger und Prüfstand Katalysator Synthesegaserzeuger mit Brenner Wärmeintegrierter Synthesegaserzeuger Reformerprüfstand Experimentelle Untersuchung der Synthesegasherstellung Untersuchung der Rest-Kohlenwasserstoffe im Reformatgas

8 3.2.2 Systemvergleich an stationären Betriebspunkten Startverhalten des wärmeintegrierten Synthesegaserzeugers Konstruktive Optimierung zur Vermeidung von Vorreaktionen Zusammenfassung Modellierung des wärmeintegrierten Synthesegaserzeugers Ziele der Modellierung Erstellung des Modells Modellannahmen Reaktionskinetik Stoff- und Transportparameter Bilanzgleichungen Numerische Lösung Anpassung der Kinetik-Parameter und Validierung Simulation des stationären Reformerbetriebs Temperaturen und Gaszusammensetzung im Katalysator Variation der thermischen Leistung Variation des Systemdrucks Betriebszustände in Abhängigkeit von O/C- und S/C-Verhältnis Simulation von Betriebspunktwechseln Lastsprung Erhöhung des O/C-Verhältnisses Unterbrechung der Abgaszugabe Einfluss des Wärmetauschers auf die Reformatgaszusammensetzung Zusammenfassung Synthesegas im Verbrennungsmotor Versuchsaufbau und Grundlagen der motorischen Analyse Versuchsmotor Methoden der motorischen Analyse Thermischer Verdünnungsparameter Motorprüfstand Ersatz von Benzin durch Synthesegas Beimischung von synthetischem Reformatgas Beimischung von Reformatgas des Brennersystems Variation der Verbrennungsschwerpunktlage Verdünnung der Zylinderladung mit Abgas bzw. Luft Motorischer Wirkungsgrad und Kraftstoffverbrauch Schadstoffemissionen Zündverzug und Brenndauer Vergleich von Brenner- und wärmeintegriertem Reformersystem Allgemeines Betriebsverhalten im Zusammenspiel mit dem Motor Motorische Ergebnisse an neun Stationärpunkten

9 5.5 Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick Ergebnisse der Arbeit Reformierung Modellierung Wasserstoff-Benzin-Mischbetrieb Ausblick Literaturverzeichnis 177 A Reaktionsgleichungen und Berechnungsvorschriften 187 B Gleichgewichtsbetrachtung und Prozessführung 189 Partielle Oxidation mit Abgas-Reformierung Wärmeintegration, Beschreibung des Wärmetauschers C Konstruktion und Bilder der Synthesegaserzeuger 193 Synthesegaserzeuger mit Brenner Wärmeintegrierter Synthesegaserzeuger D Modellierung wärmeintegrierter Synthesegaserzeuger 199 Wärme- und Stoffübergang Wärmeübergang Stoffübergang Messpunkte zur Anpassung der Kinetik-Parameter Betriebszustände bei höherer Leistung Ergebnisse der dynamischen Simulation Einfluss des Wärmetauschers E Ergebnisse der Untersuchung zur Verdünnung der Zylinderladung 211 Einfluss von Verdünnung bei Teillast Einfluss von Verdünnung bei Schwachlast