Bewertung unterschiedlicher Prozesskonzepte zur On-board ...
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17. März 2010
Bewertung unterschiedlicher Prozesskonzepte zur On-board-Reformierung von Flüssigbrennstoffen
Jahrestreffen der ProcessNet-Fachausschüsse Energieverfahrenstechnik und
Gasreinigung 17. – 18. März 2010, Dortmund
Stefan Martin, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für
Technische Thermodynamik, Stuttgart
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 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)
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 3
Klassische Reformierungsverfahren
Dampfreformierung(engl.: steam reforming, SR)
Autotherme Reformierung(engl.: auto-thermal reforming, ATR)
Partielle Oxidation(engl.: catalytic
partial oxidation, CPOX)
∙
Dampfreformierung Cn Hm + n H2 O →
n CO + (n+1/2m) H2 Cn Hm + n H2 O →
n CO + (n+1/2m) H2 -Methanisierung 3 H2 + CO ↔
CH4 + H2 O 3 H2 + CO ↔
CH4 + H2 O 3 H2 + CO ↔
CH4 + H2 O
Wassergas-Shift CO + H2 O ↔
H2 + CO2 CO + H2 O ↔
H2 + CO2 -Partielle Oxidation - Cn Hm + n/2 O2 →
n CO + m/2 H2 Cn Hm + n/2 O2 →
n CO + m/2 H2
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 4
Warum Flüssigbrennstoffe?
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 0,005 1 2,4 2,9 4,5 4,6 4,9
+ Nachhaltige H2
-Erzeugung aus Biokraftstoffen (Biodiesel, Bioethanol, Pflanzenöl) möglich
APU-Anwendung Art der Stromerzeugung Stromverbraucher ηel
Flugzeug mit Kerosin befeuerte Gasturbine Energieversorgung am Boden, Starten der Triebwerke
ca. 15-18 %
*CNG: Compressed
Natural
Gas
Möglichkeit der Nutzung des mitgeführten Kraftstoffs für
APU*-Anwendungen: Ersatz konventioneller Hilfsturbinen durch gekoppelte Reformer-Brennstoffzellensysteme
*APU: Auxiliary Power Unit (Hilfsturbine)
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 5
Auswahl und Bewertung der Prozesskonzepte
Bewertungskriterien:
Produktgaszusammensetzung, H2 -Effizienz, Energetischer
Gesamtwirkungsgrad (mit Wärmeintegration), dynamisches Verhalten, apparativer
Aufwand, Anforderungen an Schwefelgehalt
Simulationstool: Aspen Plus →
Abbildung der Flüssigbrennstoffe als Modellgemisch auf Basis gaschromatographischer Analysen
./
22
)()()()(
elHeizKühlu
uGes PQBrennstoffHBrennstoffm
HHHm
)()(
)()( 222 BrennstoffHBrennstoffm
HHHm
u
uH
Konzept 1: Dampfreformierung + Wassergas-Shift
Konzept 2: Autotherme Reformierung + Wassergas-Shift
Konzept 3: Partielle Oxidation + Wassergas-Shift
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 6
SR-Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft, S/C: 3)
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
Reformertemperatur (°C)
Kon
zent
ratio
n (V
ol.-%
)
H2 CO CO2 CH4 H2O
SR: Steam Reforming
Cn Hm + n H2 O →
n CO + (n+1/2m) H2
3 H2 + CO ↔
CH4 + H2 O
CO + H2 O ↔
H2 + CO2
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 7
ATR-Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft, S/C: 3)
ATR: Autothermal Reforming
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Luftzahl
Kon
zent
ratio
n (V
ol.-%
)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Ref
orm
erte
mpe
ratu
r (°C
)
H2 CO CO2 CH4 N2 H2O T
1
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POX-Produktgaszusammensetzung (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft)
POX: Partial Oxidation
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Luftzahl
Kon
zent
ratio
n (V
ol.-%
)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Ref
orm
erte
mpe
ratu
r (°C
)
H2 CO CO2 CH4 N2 H2O T
1
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Zusammenfassung “Produktgaszusammensetzung“ (Einsatzstoff: Diesel, Vergasungsmittel: Luft, S/C: 3)
max. H2 -Konz. (Vol.-%, trocken)
Temperatur (°C) Luftzahl λ
Steam
Reforming
(SR) 72 715 -
Autotherme Reformierung (ATR) 46 565 0,20
Partielle Oxidation (POX) 27 1070 0,33
H2
-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 N2
, H2
O. Besser: H2
-Effizienz bzw. Energetischer Gesamtwirkungsgrad
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Prozesskonzept 1, ohne WärmeintegrationDampfreformierung + WGS
H2
Schnittstelle
Reformer-PEM: feuchtes Gasgemisch, T=160 °C
H2 O
Diesel
Randbedingungen:
S/C: 3 Druck: atm.Temperaturführung Reformer: isothermTBrenner
: 900 °C, λBrenner
= 1,1TWGS
: 250 °C
Luft
Abgas
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Prozesskonzept 1, mit WärmeintegrationDampfreformierung + WGS
160 °C
180 °C
H2 O
Luft
Diesel
Diesel-Brenner
H2
Abgas
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Prozesskonzept 2, ohne WärmeintegrationAutotherme Reformierung + WGS
Schnittstelle
Reformer-PEM: feuchtes Gasgemisch, T=160 °C
Randbedingungen:
S/C: 3 Druck: atm.Temperaturführung
Reformer: adiabatTWGS
: 250 °
H2 O
Luft
Diesel
H2
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Prozesskonzept 2, mit WärmeintegrationAutotherme Reformierung + WGS
H2 O
Luft
Diesel
H2
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Prozesskonzept 3, ohne WärmeintegrationPartielle Oxidation + WGS
Schnittstelle
Reformer-PEM: feuchtes Gasgemisch, T=160 °C
Randbedingungen:
Druck: atm.Temperaturführung
Reformer: adiabatTWGS
: 250 °
Luft
Diesel
H2
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Prozesskonzept 3, mit WärmeintegrationPartielle Oxidation + WGS
Luft
Diesel
H2
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 16
Konzept 1: Dampfreformierung + WGS
H2 -Effizienz und Energetischer Wirkungsgrad (Beispiel: Diesel)
35
45
55
65
75
85
95
105
115
125
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
Reformertemperatur (°C)
Wirk
ungs
grad
(%)
H2-Effizienz
Energetischer Wirkungsgrad (mit Wärmeintegration)
117 %
76 %
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 17
H2 -Effizienz und Energetischer Wirkungsgrad (Beispiel: Diesel)
Konzept 2: Autotherme Reformierung + WGS
50
55
60
65
70
75
80
85
90
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60
Luftzahl
Wirk
ungs
grad
(%)
500
600
700
800
900
1000
1100
Tem
pera
tur (
°C)
H2-Effizienz
Energetischer Wirkungsgrad (mit Wärmeintegration)
Reformatgastemperatur
85 %
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H2 -Effizienz und Energetischer Wirkungsgrad (Beispiel: Diesel)
Konzept 2: Autotherme Reformierung + WGS
50
55
60
65
70
75
0,40 0,41 0,42 0,43 0,44
Luftzahl
Wirk
ungs
grad
(%)
500
600
700
800
900
1000
1100
Tem
pera
tur (
°C)
vollständige Verdampfungdes Wassers
T < 1000 °C
H2-Effizienz
Energetischer Wirkungsgrad (mit Wärmeintegration)
Reformatgastemperatur
67,3 %
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 19
Vergleich der Prozesskonzepte (am Beispiel von Diesel/Biodiesel)
66
74
84
75
117
67
75
85
76
117
0
20
40
60
80
100
120
EnergetischerWirkungsgrad
(S/C=3)
EnergetischerWirkungsgrad
(S/C=2)
H2-Effizienz(S/C=3)
EnergetischerWirkungsgrad
(S/C=3)
H2-Effizienz(S/C=3)
Biodiesel Diesel
Konzept 1 (ATR + WGS)Konzept 2 (SR + WGS)
H2 -Effizienz (ohne Wärmeintegration) ist bei der Dampfreformierung deutlich höher als bei der Autothermen Reformierung
Vergleicht man jedoch den energetischen Wirkungsgrad (mit vollständiger Wärmeintegration), liegen beide Konzepte gleichauf.
→
ATR konkurrenzfähig mit Dampfreformierung!
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 20
EinsatzstoffSteam Reforming SR
(S/C=3)Autotherme Reformierung ATR
(S/C=3)Autotherme Reformierung ATR
(S/C=2) Partielle Oxidation POX
Biodiesel 75 % (TSR
: 700 -
950 °C) 66 % (TATR
: 828 °C λ: 0,44) 74 % (TATR
: 744 °C λ: 0,36) -
Bioethanol 76 % (TSR
: 700 -
950 °C) - - -
Diesel 76 % (TSR
: 700 -
950 °C) 67 % (TATR
: 799 °C λ: 0,43) 75 % (TATR
: 711 °C λ: 0,36) 40 % (TPOX
: 1280 °C λ: 0,33)
DME - 71 % (TATR
: 793 °C λ: 0,36 ) 78 % (TATR
: 700 °C λ: 0,29 ) -
Methanol - 67 % (TATR
: 772 °C λ: 0,40) 75 % (TATR
: 656 °C λ: 0,33) -
Kerosin - 55 % (TATR
: 865 °C λ: 0,54) 67 % (TATR
: 820 °C λ: 0,43) -
Maximal erreichbare energetische Wirkungsgrade für verschiedene Flüssigbrennstoffe
Autotherme Reformierung prinzipiell konkurrenzfähig mit Steam Reforming, aber:
Luftzahl nur innerhalb enger Grenzen variierbar (→
instabiler Betriebspunkt)
Jahrestagung „Energieverfahrenstechnik und Gasreinigung“, Stefan MartinFolie 21
EinsatzstoffSteam Reforming SR
(S/C=3)Autotherme Reformierung ATR
(S/C=3)Autotherme Reformierung ATR
(S/C=2) Partielle Oxidation POX
Biodiesel 34 % (TSR
: 700 -
950 °C) 30 % (TATR
: 828 °C λ: 0,44) 33 % (TATR
: 744 °C λ: 0,36) -
Bioethanol 34 % (TSR
: 700 -
950 °C) - - -
Diesel 34 % (TSR
: 700 -
950 °C) 30 % (TATR
: 799 °C λ: 0,43) 34 % (TATR
: 711 °C λ: 0,36) 18 % (TPOX
: 1280 °C λ: 0,33)
DME - 32 % (TATR
: 793 °C λ: 0,36 ) 35 % (TATR
: 700 °C λ: 0,29 ) -
Methanol - 30 % (TATR
: 772 °C λ: 0,40) 34 % (TATR
: 656 °C λ: 0,33) -
Kerosin - 25 % (TATR
: 865 °C λ: 0,54) 30 % (TATR
: 820 °C λ: 0,43) -
Maximal erreichbare elektrische Wirkungsgrade (gekoppeltes Reformer-HT-PEM-System)
Anmerkung: Für die Berechnung der elektrischen Wirkungsgrade wurde ein Brennstoffzellenwirkungsgrad von45 % zu Grunde gelegt.
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Abschließende Bewertung der Prozesskonzepte zur On- board-Reformierung von Flüssigbrennstoffen (Rangfolge)
Konzept 1: Dampfreformierung +
WGS
Konzept 2: Autotherme
Reformierung + WGS
Konzept 3: Partielle
Oxidation + WGS
H2 -Ausbeute 1 2 3
Produktgaszusammensetzung 1 2 3
Energet. Wirkungsgrad (mit Wärmeverschaltung) 1/2 1/2 3
Dynamisches Verhalten 3 2 1
Apparativer Aufwand 3 2 1
Schwefelresistenz 3 1/2 1/2
Leitkonzept für die H2 -Erzeugung aus Flüssigbrennstoffen für HT-PEM-Anwendung: Autotherme Reformierung + WGS