Bewertung unterschiedlicher Prozesskonzepte zur On-board-Reformierung von Flüssigbrennstoffen

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1 Bewertung unterschiedlicher Prozesskonzepte zur On-board-Reformierung von Flüssigbrennstoffen Jahrestreffen der ProcessNet-Fachausschüsse Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung März 2010, Dortmund Stefan Martin, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Technische Thermodynamik, Stuttgart 17. März 2010

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) Folie 2

3 Klassische Reformierungsverfahren Dampfreformierung (engl.: steam reforming, SR) Autotherme Reformierung (engl.: auto-thermal reforming, ATR) Partielle Oxidation (engl.: catalytic partial oxidation, CPOX) Dampfreformierung C n H m + n H 2 O n CO + (n+1/2m) H 2 C n H m + n H 2 O n CO + (n+1/2m) H 2 - Methanisierung 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O Wassergas-Shift CO + H 2 O H 2 + CO 2 CO + H 2 O H 2 + CO 2 - Partielle Oxidation - C n H m + n/2 O 2 n CO + m/2 H 2 C n H m + n/2 O 2 n CO + m/2 H 2 Folie 3

4 Warum Flüssigbrennstoffe? + Nachhaltige H 2 -Erzeugung aus Biokraftstoffen (Biodiesel, Bioethanol, Pflanzenöl) möglich 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, ,4 2,9 4,5 4,6 4,9 *CNG: Compressed Natural Gas Möglichkeit der Nutzung des mitgeführten Kraftstoffs für APU*-Anwendungen: Ersatz konventioneller Hilfsturbinen durch gekoppelte Reformer-Brennstoffzellensysteme APU-Anwendung Art der Stromerzeugung Stromverbraucher η el Flugzeug mit Kerosin befeuerte Gasturbine Energieversorgung am Boden, Starten der Triebwerke ca % *APU: Auxiliary Power Unit (Hilfsturbine) Folie 4

5 Auswahl und Bewertung der Prozesskonzepte Konzept 1: Dampfreformierung + Wassergas-Shift Konzept 2: Autotherme Reformierung + Wassergas-Shift Konzept 3: Partielle Oxidation + Wassergas-Shift Bewertungskriterien: Produktgaszusammensetzung, H 2 -Effizienz, Energetischer Gesamtwirkungsgrad (mit Wärmeintegration), dynamisches Verhalten, apparativer Aufwand, Anforderungen an Schwefelgehalt H 2 m H 2) H m ( Brennstoff ) H ( u 2 u ( H ) ( Brennstoff ) Ges m ( H 2) Hu ( H 2) m ( Brennstoff ) H ( Brennstoff ) Q u Kühl / Heiz P el. Simulationstool: Aspen Plus Abbildung der Flüssigbrennstoffe als Modellgemisch auf Basis gaschromatographischer Analysen Folie 5

6 SR-Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft, S/C: 3) 0,75 Konzentration (Vol.-%) 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Reformertemperatur ( C) C n H m + n H 2 O n CO + (n+1/2m) H 2 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O CO + H 2 O H 2 + CO 2 H2 CO CO2 CH4 H2O SR: Steam Reforming Folie 6

7 ATR-Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft, S/C: 3) 0, ,70 0, , Konzentration (Vol.-%) 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0, Reformertemperatur ( C) H2 CO CO2 CH4 N2 H2O T 0, ,10 0, ,00 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 1 Luftzahl ATR: Autothermal Reforming Folie 7

8 POX-Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft) 0, Konzentration (Vol.-%) 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0, Reformertemperatur ( C) H2 CO CO2 CH4 N2 H2O T 0,00 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Luftzahl 0 1 POX: Partial Oxidation Folie 8

9 Zusammenfassung Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft, S/C: 3) max. H 2 -Konz. (Vol.-%, trocken) Temperatur ( C) Luftzahl λ Steam Reforming (SR) Autotherme Reformierung (ATR) ,20 Partielle Oxidation (POX) ,33 H 2 -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 N 2, H 2 O. Besser: H 2 -Effizienz bzw. Energetischer Gesamtwirkungsgrad Folie 9

10 Prozesskonzept 1, ohne Wärmeintegration Dampfreformierung + WGS Schnittstelle Reformer-PEM: feuchtes Gasgemisch, T=160 C H 2 O H2 Diesel Luft Abgas Randbedingungen: S/C: 3 Druck: atm. Temperaturführung Reformer: isotherm T Brenner : 900 C, λ Brenner = 1,1 T WGS : 250 C Folie 10

11 Prozesskonzept 1, mit Wärmeintegration Dampfreformierung + WGS H 2 O 160 C H2 Diesel 180 C Abgas Diesel-Brenner Luft Folie 11

12 Prozesskonzept 2, ohne Wärmeintegration Autotherme Reformierung + WGS Schnittstelle Reformer-PEM: feuchtes Gasgemisch, T=160 C H 2 O Luft H2 Diesel Randbedingungen: S/C: 3 Druck: atm. Temperaturführung Reformer: adiabat T WGS : 250 Folie 12

13 Prozesskonzept 2, mit Wärmeintegration Autotherme Reformierung + WGS H 2 O Luft H2 Diesel Folie 13

14 Prozesskonzept 3, ohne Wärmeintegration Partielle Oxidation + WGS Schnittstelle Reformer-PEM: feuchtes Gasgemisch, T=160 C Luft H2 Diesel Randbedingungen: Druck: atm. Temperaturführung Reformer: adiabat T WGS : 250 Folie 14

15 Prozesskonzept 3, mit Wärmeintegration Partielle Oxidation + WGS Luft H2 Diesel Folie 15

16 H 2 -Effizienz und Energetischer Wirkungsgrad (Beispiel: Diesel) H 2 -Effizienz 105 Konzept 1: Dampfreformierung + WGS 117 % Wirkungsgrad (%) Energetischer Wirkungsgrad (mit Wärmeintegration) 76 % Reformertemperatur ( C) Folie 16

17 H 2 -Effizienz und Energetischer Wirkungsgrad (Beispiel: Diesel) Konzept 2: Autotherme Reformierung + WGS % Wirkungsgrad (%) H 2 -Effizienz Energetischer Wirkungsgrad (mit Wärmeintegration) Reformatgastemperatur Temperatur ( C) ,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 Luftzahl Folie 17

18 H 2 -Effizienz und Energetischer Wirkungsgrad (Beispiel: Diesel) Konzept 2: Autotherme Reformierung + WGS H 2 -Effizienz 67,3 % 1000 Wirkungsgrad (%) Energetischer Wirkungsgrad (mit Wärmeintegration) Reformatgastemperatur T < 1000 C Temperatur ( C) 55 vollständige Verdampfung des Wassers ,40 0,41 0,42 0,43 0,44 Luftzahl Folie 18

19 Vergleich der Prozesskonzepte (am Beispiel von Diesel/Biodiesel) Konzept 1 (ATR + WGS) Konzept 2 (SR + WGS) H 2 -Effizienz (ohne Wärmeintegration) ist bei der Dampfreformierung deutlich 74 höher 75 als bei der Autothermen Reformierung Vergleicht man jedoch den energetischen Wirkungsgrad (mit vollständiger Wärmeintegration), liegen beide Konzepte gleichauf ATR konkurrenzfähig mit Dampfreformierung! 20 0 Energetischer Wirkungsgrad (S/C=3) Energetischer Wirkungsgrad (S/C=2) H2-Effizienz (S/C=3) Energetischer Wirkungsgrad (S/C=3) H2-Effizienz (S/C=3) Biodiesel Diesel Folie 19

20 Maximal erreichbare energetische Wirkungsgrade für verschiedene Flüssigbrennstoffe Einsatzstoff Steam Reforming SR (S/C=3) Autotherme Reformierung ATR (S/C=3) Autotherme Reformierung ATR (S/C=2) Partielle Oxidation POX Biodiesel 75 % (T SR : C) 66 % (T ATR : 828 C λ: 0,44) 74 % (T ATR : 744 C λ: 0,36) - Bioethanol 76 % (T SR : C) Diesel 76 % (T SR : C) 67 % (T ATR : 799 C λ: 0,43) 75 % (T ATR : 711 C λ: 0,36) 40 % (T POX : 1280 C λ: 0,33) DME - 71 % (T ATR : 793 C λ: 0,36 ) 78 % (T ATR : 700 C λ: 0,29 ) - Methanol - 67 % (T ATR : 772 C λ: 0,40) 75 % (T ATR : 656 C λ: 0,33) - Kerosin - 55 % (T ATR : 865 C λ: 0,54) 67 % (T ATR : 820 C λ: 0,43) - Autotherme Reformierung prinzipiell konkurrenzfähig mit Steam Reforming, aber: Luftzahl nur innerhalb enger Grenzen variierbar ( instabiler Betriebspunkt) Folie 20

21 Maximal erreichbare elektrische Wirkungsgrade (gekoppeltes Reformer-HT-PEM-System) Einsatzstoff Steam Reforming SR (S/C=3) Autotherme Reformierung ATR (S/C=3) Autotherme Reformierung ATR (S/C=2) Partielle Oxidation POX Biodiesel 34 % (T SR : C) 30 % (T ATR : 828 C λ: 0,44) 33 % (T ATR : 744 C λ: 0,36) - Bioethanol 34 % (T SR : C) Diesel 34 % (T SR : C) 30 % (T ATR : 799 C λ: 0,43) 34 % (T ATR : 711 C λ: 0,36) 18 % (T POX : 1280 C λ: 0,33) DME - 32 % (T ATR : 793 C λ: 0,36 ) 35 % (T ATR : 700 C λ: 0,29 ) - Methanol - 30 % (T ATR : 772 C λ: 0,40) 34 % (T ATR : 656 C λ: 0,33) - Kerosin - 25 % (T ATR : 865 C λ: 0,54) 30 % (T ATR : 820 C λ: 0,43) - Anmerkung: Für die Berechnung der elektrischen Wirkungsgrade wurde ein Brennstoffzellenwirkungsgrad von 45 % zu Grunde gelegt. Folie 21

22 Abschließende Bewertung der Prozesskonzepte zur Onboard-Reformierung von Flüssigbrennstoffen (Rangfolge) Konzept 1: Dampfreformierung + WGS Konzept 2: Autotherme Reformierung + WGS Konzept 3: Partielle Oxidation + WGS H 2 -Ausbeute Produktgaszusammensetzung Energet. Wirkungsgrad (mit Wärmeverschaltung) 1/2 1/2 3 Dynamisches Verhalten Apparativer Aufwand Schwefelresistenz 3 1/2 1/2 Leitkonzept für die H 2 -Erzeugung aus Flüssigbrennstoffen für HT-PEM-Anwendung: Autotherme Reformierung + WGS Folie 22