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Die Entwicklung von Brennstoffzellen wird international mit großem finanziellen Aufwand vorangetrieben. Im Fokus steht dabei der Einsatz der PEM-Brennstoffzelle für mobile Anwendungen. Parallel dazu entwickeln weltweit zahlreiche Firmen Komponenten und Anlagen für den stationären Einsatz. Dafür ist neben der Brennstoffzelle selbst, die mit Wasserstoff betrieben wird, eine vorgeschaltete Brenngasaufbereitung notwendig, um den benötigten Wasserstoff aus den heute verfügbaren Brennstoffen zu erzeugen. Als Brennstoff bietet sich in erster Linie Erdgas an. Für die Wasserstofferzeugung aus Erdgas sind unter anderem die Verfahren der Dampfreformierung und der partiellen Oxidation etabliert. Mittels rechnergestützter Simulation dieser Verfahren werden deren Leistungskenngrößen (Wasserstoffproduktion, Wirkungsgrade, Produktgaskonzentration usw.) vergleichend präsentiert.
Erdgas ist für die Wasserstoffgewinnung bei stationären Brennstoffzellen prädestiniert, weil es von allen fossilen Brennstoffen den höchsten Wasserstoff- und den geringsten Kohlenstoffanteil aufweist. Das ermöglicht in Verbindung mit dem hohen elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sehr niedrige spezifische CO2-Emissionen pro erzeugter Kilowattstunde Strom.
PEM-Brennstoffzelle als „Hoffnungsträger“
Seit einigen Jahren gibt es intensive Entwicklungsaktivitäten für kleine erdgasbetriebene Brennstoffzellen-Heizgeräte. Grundgedanke ist, den konventionellen Heizkessel um eine Brennstoffzelleneinheit zu ergänzen, die Strom und Wärme erzeugt. Dabei konzentriert man sich auf die SOFC- und die PEM-Brennstoffzelle.
Durch die Entwicklungsfortschritte im mobilen Bereich wird gerade für die PEM-Brennstoffzelle ein großes Kostensenkungspotenzial erwartet. Sie eignet sich sehr gut für die Strom- und Wärmeversorgung im Wohn- und Gewerbebereich. Ihr Elektrolyt besteht aus einer Protonen leitenden Kunststoffmembran. Durch die niedrige Betriebstemperatur (ca. 80 °C) kann man preiswerte Werkstoffe verwenden und ein für die haushaltliche Anwendung ausreichendes Temperaturniveau erreichen. Die entwicklungstechnischen Herausforderungen bis zum Großserieneinsatz liegen heute im Wesentlichen bei der Wasserstofferzeugung und bei der Gestaltung des Systems.
Drei Wege zur Brenngasaufbereitung
Grundsätzlich unterscheidet man zwei technische Verfahren zur Reformierung von Methan, die Dampfreformierung und die partielle Oxidation. Eine Mischform ist die autotherme Reformierung.
In allen Verfahren reagiert Methan als Hauptkomponente von Erdgas über einem Reformierkatalysator zu einem wasserstoffreichen Synthesegas. Die Tabelle fasst die jeweiligen chemischen Schlüsselreaktionen und Reaktionstemperaturen zusammen. Bei der Dampfreformierung reagieren Methan und Wasserdampf unter Zufuhr von Wärme. Die partielle Oxidation ist ein exothermer Prozess, bei dem Wasserstoff aus der Reaktion von Methan und Luftsauerstoff entsteht.
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| Schlüsselreaktionen der Alternativverfahren |
Simulationsschwerpunkt Gasaufbereitung
Um die Vorteile und Nachteile der Reformierverfahren bewerten zu können, nutzte das Ruhrgas-Entwicklungszentrum die Computersimulation. Mit dem Programm HYSYS PlantTM wurde das Gesamtsystem auf der Basis von Stoff- und Energiebilanzen abgebildet.
Die Prozesssimulation verfolgte zunächst das Ziel, das Zusammenwirken und die Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten der Wasserstoffaufbereitung zu analysieren. Auf dieser Basis konnte man dann verschiedene Maßnahmen zur Steigerung des Wirkungsgrads prüfen und bewerten:
Was bringt die systeminterne Wärmerückgewinnung?
Welchen Einfluss hat die thermische und/oder stoffliche Nutzung des Anodenabgases durch
Rückführung zum Brenner bzw. vor den Reformer?
Aufschlussreiche Ergebnisse
Die Computersimulation zeigte, dass die weitgehende interne Wärmerückgewinnung eine energieautarke Prozessführung erlaubt und den Brennstoffwirkungsgrad im Falle der Dampfreformierung um etwa 16 % verbessert. Das bedeutet: 83 % des eingesetzten CH4-Energieinhaltes wurden in Wasserstoff umgesetzt.
Durch die verfahrensbedingten Abgasverluste bei der Dampfreformierung liegen hier die Brennstoffwirkungsgrade um 4 % niedriger als bei der partiellen Oxidation. Die Wirkungsgrade von partieller Oxidation und autothermer Reformierung waren identisch (= 87 %).
Abgasrückführung steigert Wirkungsgrad
Da der Wasserstoff wegen der abnehmenden Konzentration im Strömungsweg in der Brennstoffzelle nicht vollständig umgesetzt werden kann, verbleibt ein Restgehalt im Anodenabgas. Führt man dieses wasserstoffhaltige Abgas vor den Reformer zurück, kann Erdgas gespart werden: Der rückgeführte Wasserstoff muss nicht durch Methanreformierung erzeugt werden. Das verbessert die Effizienz des Gesamtprozesses, die sich im elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ausdrückt.
Der gleiche Effekt entsteht, wenn der Wasserstoff mit dem Anodenabgas in den Reformerbrenner zurückgeführt wird: Dann kann sein Heizwert thermisch genutzt werden. Bei vollständiger thermischer Umsetzung des Anodenabgases im Reformerbrenner steigt der elektrische Wirkungsgrad um 6 % auf ηel = 41 %. Die Kombination aus 75 % Rückführung zum Brenner und 25 % stofflicher Nutzung im Reformer bringt nochmals einen Zuwachs um 1 %. Das gesamte Optimierungspotenzial der
Anodenabgasrückführung erreicht bei der Dampfreformierung also eine Größenordnung von etwa 7 %. Bei der partiellen Oxidation war dagegen ein deutlich niedrigeres Potenzial (2 % Wirkungsgradanstieg bei 25%iger Rückführung) festzustellen. Dabei spielte es keine Rolle, ob das Anodenabgas direkt vor die Brennstoffzelle oder vor die partielle Oxidation zurückgespeist wurde. Die Dampfreformierung mit Anodenabgasrückführung bringt also im Vergleich zur partiellen Oxidation einen Wirkungsgradvorteil von ca. 4 %. Eine hohe Reformerqualität begünstigt die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Die Simulation zeigte hier, dass die Konzentration des Wasserstoffs im Reformat bei der Dampfreformierung die der partiellen Oxidation um 50 % übertrifft.
Bewertung zeigt Vor- und Nachteile
Die untersuchten Alternativverfahren zur Wasserstofferzeugung weisen Vor- bzw. Nachteile auf. Bei der partiellen Oxidation ist die Effizienz der Brennstoffumsetzung in Wasserstoff größer. Aus der niedrigeren Wasserstoffkonzentration vor der Anode resultiert allerdings eine schlechtere Qualität des erzeugten Brenngases. Das Optimierungspotenzial des Gesamtverfahrens (also des elektrischen Wirkungsgrades) ist begrenzt. Die Dampfreformierung erreicht dagegen niedrigere Brennstoffwirkungsgrade, aber eine höhere Produktqualität. Hier lassen sich mit entsprechenden Optimierungsmaßnahmen höhere elektrische Wirkungsgrade erzielen.
Quelle: Ruhrgas AG
Kontakt: Ruhrgas AG
E-Mail: Michael.koschowitz@ruhrgas.com
Tel.: +49.2362.93 85 34
Ansprechpartner : Michael Koschowitz
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