Endotherme Reformierung: thermo-chemische Rekuperation zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren

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1 Thermische Rekuperation in Fahrzeugen 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,

2 DLR.de Folie 2 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Agenda Einleitung: Konzeptvergleich Konventioneller Motor Modifizierter Prozess (Abwärmenutzung mittels endothermer Reformierung) + Luft Simulation endothermer Reformierung Fallstudie: -Prozess Strategien zur Wirkungsgradsteigerung Fließbildsimulation in Aspen Plus Wärme- und Prozessintegration Energieanalyse Zusammenfassung und Ausblick Abwärmenutzung

3 DLR.de Folie 3 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Einleitung: Prozessidee (A) Konventioneller Verbrennungsmotor Heißes hoher Wärmeverlust! Wiedernutzung der Abwärme? (B) Modifizierter Prozess mit thermo-chemischer Rekuperation Wärmerückgewinnung aus dem heißen zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades (η) C 8 H H 2 O Wärme 8 CO + 17 H 2 Modifikation Wärmerekuperation -Reformierung Luft Luft Hohe Temp.: C M Wasser Temp. Absenkung: C Reformer Rekuperation M Wärmetauscher

4 DLR.de Folie 4 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Vergleich des Energieflusses Vorteile Wirkungsgradsteigerung einsparung Bessere Verbrennung [1] Geringere Emissionen (CO, NO x, usw.) [2] Motor Konventioneller Verbrennungsmotor P output η = % Nachteile Zusätzliche Geräte: Reformer, Wassertank, Wärmetauscher, usw. Anpassung der Motorsteuerung erforderlich m fuel P output * LHV fuel Abwärmenutzung Reformer Motor Thermo-chemische Rekuperation P output Modifizierter Prozess mit -Reformierung η = % 1. J.F. Cassidy, 1977, NASA Technical Note: D E.M. Goodger, 1980, Alternative Fuels, MacMillan.

5 DLR.de Folie 5 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Endotherme Reformierung Annahmen iso-octan (C 8 H 18 ) als die Hauptkomponente des Benzins Reaktionsgleichgewicht Hauptreaktion Dampf-Reformierung C 8 H H 2 O 8 CO + 17 H 2 H 298K = kj/mol_c 8 (Gl. 1) Wasser-Gas Shift CO + H 2 O CO 2 + H 2 H 298K = 41 kj/mol_co (Gl. 2) Methanisierung CO + 3H 2 CH 4 + H 2 H 298K = 206 kj/mol_co (Gl. 3) 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] M 3. Springmann et al. 2002, Applied Catalysis A: General, 235

6 Zusammensetzung des reformierten s [v.% dry] Zusammensetzung des reformierten s [v.% dry] DLR.de Folie 6 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Endotherme Reformierung Reaktionsbedingungen Temperatur (T) Druck (p) Steam/Carbon Molverhältnis (S/C) Simulationsergebnisse T, S/C und p y H2 100 S/C = 2 T = 700 C CH4 CO2 CO H Temperatur [ C] S/C [-]

7 DLR.de Folie 7 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Fallstudie: Mikrogasturbinenprozess () Übersicht Zusammenarbeit mit DLR-Institut für Verbrennungstechnik (VT) Ziel: Nachweis der Wirkungsgradsteigerung anhand einer realistischen Fließbildsimulation in Aspen Plus ideales Modell (ohne Wärmeverluste) Referenzmodell: ohne Rekuperation Base-Case 1: + thermische Rekuperation (Luft-Vorwärmung) Base-Case 2: + thermische Rekuperation (Luft/Wasser-Vorwärmung) Neues System: + thermo-chemische Rekuperation (-Reformierung) realistisches Modell (mit Druck- und Wärmeverlusten) Base-Case 1 und Neues System

8 DLR.de Folie 8 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Strategien zur Wirkungsgradsteigerung Fließbildsimulation und Black-Box Energieanalyse (5 kw e ) Referenzmodell ohne Rekuperation 42 kw System 37 kw Strom 5 kw η e = 12% Luft Kompressor Turbine Strom η isen =0,72 η isen =0,73 Brenner p=3 bar : Referenzmodell

9 DLR.de Folie 9 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Strategien zur Wirkungsgradsteigerung Fließbildsimulation und Black-Box Energieanalyse (5 kw e ) Base Case 1 Thermische Rekuperation (Luft) 21 kw System 16 kw Strom 5 kw Luft Kompressor Turbine Strom η e = 24% Luftvorwärmung bis zu 685 C p=3 bar T=790 C Brenner Rekuperator vorgewärmte Luft Thermische Rekuperation 18 kw System 13 kw Strom 5 kw η e = 28% Luftvorwärmung bis zu 727 C

10 DLR.de Folie 10 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Strategien zur Wirkungsgradsteigerung Fließbildsimulation und Black-Box Energieanalyse (5 kw e ) Base Case 2 Thermische Rekuperation (Luft+Wasser) Dampferzeugung und -einspritzung 18,5 kw System 13,5 kw Strom 5 kw Luft Wasser Verdampfer Kompressor Brenner Rekuperator Turbine Strom Split Wärmetauscher η e = 27% + Luftvorwärmung (685 C) & Dampfeinspritzung (685 C, S/C=5) Direktdampfeinspritzung

11 DLR.de Folie 11 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Strategien zur Wirkungsgradsteigerung Fließbildsimulation und Black-Box Energieanalyse (5 kw e ) Neues System Thermo-chemische Rekuperation 16 kw System 11 kw Strom 5 kw Luft Reformer Wasser Verdampfer Kompressor Brenner Rekuperator Turbine Strom Split Wärmetauscher η e = 32% + Luftvorwärmung (685 C), Dampferzeugung (715 C), -Reformierung (715 C) Thermo-chemische Rekuperation

12 DLR.de Folie 12 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Strategien zur Wirkungsgradsteigerung Überblick: Black-Box Energieanalyse einer 5-kW e - Vergleich verschiedener Konzepte zur wärmenutzung Beste Leistung: thermo-chemische Rekuperation (mit -Reformierung) 42 kw System Referenzmodell 37 kw Strom 5 kw η e = 12% e Base-Case 1 21 kw + Rekup. 16 kw Strom 5 kw η e = 24% + Luftvorwärmung (685 C) Base-Case 2 18,5 kw + Rekup. 13,5 kw Strom 5 kw η e = 27% + Dampfeinspritzung (685 C, S/C=5) Neues System 16 kw + Rekup. 11 kw Strom 5 kw η e = 32% + -Reformierung (715 C)

13 Stromeffizienz [%] DLR.de Folie 13 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Neues System: Sensitivitätsanalyse Prozesssimulation in Aspen Plus ideales Modell (ohne Wärmeverluste) Einfluss der Temperatur und des S/C-Verhältnisses + T Refm und S/C - T Turbine und Q sind beschränkt Pinch-Analyse benötigt Luft Wasser Pumpe 1 Pumpe P S/C 3 output 28 S/C 3.5 m fuel* LHV fuel S/C Kompressor Q2 Q3 Q1 HEX2 HEX3 HEX1 715 C Wärmebedarf Temperatur [ C] Reformer Wärmebedarf (Q4) 685 C Brenner H 2, CH 4, CO Turbine HEX0 S/C 2 S/C C 140 C Strom Abwärme Abwärme zur Nutzung

14 Temperatur [ C] Stromeffizienz [%] DLR.de Folie 14 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Wärmeintegration Pinch-Analyse Optimale Bedingungen: T Refm = 715 C p Refm = 3,5 bar S/C = 3,1 800 T=23 K S/C 2 30 S/C 2.5 S/C 3 28 S/C 3.5 S/C Temperatur [ C] Pinch T=20 K Cold composite curve Hot composite curve Enthalpie [kw] Luft Wasser Pumpe 1 Pumpe 2 Kompressor Q1 Q2 Q3 HEX2 HEX3 HEX1 685 C Brenner 715 C H 2, CH 4, CO Reformer Wärmebedarf (Q4) Turbine Strom 790 C HEX0 Abwärme 140 C

15 DLR.de Folie 15 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Realistischer Wirkungsgradgewinn Verlustbehafteter Vergleich Base Case 1 und Neues System Realistisches Modell (5 kw e ) mit Druck- und Wärmeverlusten + Luftvorwärmung + thermo-chemischer Rekuperation Wirkungsgradsteigerung 20,3 % 26,0 % Erhöhung: +5,7 % verbrauch 2,0 kg/h 1,56 kg/h Einsparung: -22 % AIR C8H18 H2O FILTER COMPRESS P001 P002 Kompressor FEED C-AIR P-C8H18 PW Wärmetauschernetzwerk COMP-W S21 S11 HEX-1 HEX-4 PHW TURBINE S01 FLUEGAS S13 GAS2 S03 HEX-3 HEX-R SPLIT S12 MIXER S02 PH-AIR HEX-2 WORK Q EXGAS Realistisches Modell PREC8H18 STEAM HOTGAS Verluste im Antriebsstrang: 10% W REFORM ER REFOM ATE Reformer BURNER Brenner

16 DLR.de Folie 16 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Energieanalyse Verluste im Reformer 0,5 kw Verluste im Brenner 1 kw Verluste in d. Turbine 1 kw Base-Case 1: thermische Rekuperation (Luft) Neues System: thermo-chemische Rekuperation (-Reformierung) Verluste im Brenner 1 kw Verluste in d. Turbine 1 kw Verluste im Wärmetauschernetzwerk 0,5 kw Verluste im Antriebsstrang 0,5 kw η e = 20,3 % η e = 26,0 % Endotherme Reformierung: mehr Abwärme zurückgewonnen Realistisches Modell

17 DLR.de Folie 17 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Zusammenfassung Konzept Integration der endothermen -Reformierung in einen Verbrennungsmotor erstellt Integrierter Prozess ( + Reformierung) ausgelegt und simuliert Wärmeintegration und Energieanalyse durchgeführt Ziel: Experimentelles Verbrennungssystem mit thermo-chemischen Rekuperation Erhöhung des el. Wirkungsgrades einer realistischen 5-kW- (20% 26%) Verringerung des verbrauchs (-22%) Übertragung auf Range Extender Konzepte in Hybrid-Fahrzeugen? Reduzierung der Schadstoffemissionen (CO, NO x, usw.) experimenteller Nachweis?

18 DLR.de Folie 18 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Ausblick Aufbau eines Laborteststandes Ankopplung an Motorprüfstand Detaillierte Modellierung und techno-ökonomische Bewertung Gewicht Konventioneller Motor Modifizierter Prozess Markteinführung Emissionen Bewertung: Potenzial der Range Extender Technologien Wartung Effizienz Ökonomie

19 Thermische Rekuperation in Fahrzeugen Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Danksagung: Jiafei Zhang TT-TPT-ABS Jan Zanger (VT) Thomas Krummrein (VT) Torsten Ascher (TT) Friedemann Albrecht (TT)

20 DLR.de Folie 20 > VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang TT-TPT > Stuttgart Wärmeintegration Wärmetauschernetzwerk Wärmeverbrauch: Luftvorwärmung > Dampfüberhitzung > Reformierung > vorwärmung Splitverhältnisse 0,927 (Luft) 0,050 (Dampf) 0,023 () Gestaltung Wärme Temp. Fläche usw kw 3.97 kw H-2 T C H C 3.29 kw 1.67 kw 790 C 738 C T 180 C 142 C H-1 H-3 Turbine outlet gas 0.83 kw H C C H C H C 160 C H C H-4 Reformer Luft Air H-5 Water Fuel Verdampfung Überhitzung 715 C Reformer C 25.1 C 25.4 C