hyRef - Entwicklung eines Dampf-Reformer-Moduls zur Wasserstofferzeugung - Freiberg

Die WK-Potenzial-Initiative

In der zukünftigen Energieversorgung wird Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen. Für eine Vielzahl von Anwendungen – von mobil bis stationär – kann Wasserstoff als effizienter und umweltschonender Energieträger eingesetzt werden. Um diese Anwendungen frühzeitig zu entwickeln und zu evaluieren, kann der benötigte Wasserstoff zunächst mittels Dampf-Reformierung aus Erdgas erzeugt werden. Parallel dazu müssen Technologien zur regenerativen Wasserstofferzeugung entwickelt werden, um eine nachhaltige Energieversorgung zu garantieren.

In den vergangenen acht Jahren ist an der TU Bergakademie Freiberg (TUBAF) in mehreren Projekten intensive Grundlagenforschung zum Fuel-Processing (Wasserstofferzeugung) für Brennstoffzellensysteme betrieben worden. In dieser Zeit sind Arbeiten zur Katalyse beim Dampf-Reforming unter besonderer Beachtung des Wärmeüberganges in strukturierten Reaktoren und zur energetischen Kopplung der verschiedenen Prozessstufen gelaufen. Parallel dazu ist die Gruppe durch die Entwickler der Porenbrennertechnologie verstärkt worden. Die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung aufgreifend, wurde in den Forschungsgruppen ein Dampf-Reformer-Konzept entwickelt. Das neue Konzept eines Zwiebelschalen-Reformers wird eine erheblich höhere Effizienz bei deutlicher Reduzierung des Fertigungsaufwandes erreichen und stellt einen wichtigen Schritt bei der Entwicklung von effizienten Wasserstofferzeugungsanlagen auf Erdgasbasis dar.  

Die Ziele

Ziel des Verbundprojektes ist die Umsetzung der neuesten Ergebnisse aus der Grundlagenforschung an der TUBAF in die industrielle Forschung, die Entwicklung von Labormustern der einzelnen Komponenten bis hin zum Demonstrationstest eines Reformer-Moduls für die Dampf-Reformierung von Erdgas oder Biogas, um Wasserstoff für stationäre Anwendungen, wie die Herstellung von Wasserstoff-Schutzgasen für die thermochemische Wärmebehandlung von Metallen in Härtereien, die Versorgung an Tankstellen für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge oder für den Betrieb von Brennstoffzellen zur dezentralen Energieversorgung bereitzustellen.
Im Rahmen des Projektes wird ein Reformer-Modul mit einer modulierbaren Leistung von 1,5 bis 6 m³/h Wasserstoff entwickelt, wobei eine Skalierbarkeit auf höhere Leistungen berücksichtigt werden soll. Mit dem entwickelten Reformer-Modul werden Referenzuntersuchungen in einem Brennstoffzellen-Demonstrator-System durchgeführt.  

Die Projekte

Teilprojekt 1 – TUBAF: Applikation der Ergebnisse der Grundlagenforschung, Entwicklung und Labortest des Zwiebelschalen-Reformers
Ausgehend vom vorhandenen Grobkonzept zur Entwicklung des Zwiebelschalen-Reformers werden die Parameter der thermodynamischen Auslegung durch wärmetechnische Analysen und die Modellierung von Stoffströmen und Wärmeübergängen bestimmt und daraus die Randbedingungen für die Konstruktion eines funktionsfähigen Reformers definiert (Abmessungen, thermodynamische Verschaltung, Anschlussgrößen...). Mit diesen Vorgaben erfolgt die Entwicklung des Reformers nach dem Zwiebelschalenmodell als wärmetechnisch optimierte Baugruppe mit integrierter Gasreinigung. Die in den anderen Teilprojekten entwickelten Komponenten Mehrstoffbrenner und Brennwertnutzung sollen ebenso wie die entwickelten Dämmmaterialien in das Zwiebelschalenmodell wärmetechnisch und verfahrenstechnisch integriert werden.
 
Teilprojekt 2 – DBI: Entwicklung und Test eines Mehrstoffbrenners, Zertifizierung
Zur Erzeugung der benötigten Prozesswärme muss ein dem Reformer-Design angepasster Mehrstoffbrenner entwickelt werden, der sowohl mit den vorgesehenen Brenngasen als auch mit wasserstoffhaltigen Restgasen betrieben werden kann. Durch eine gleichmäßige Temperaturverteilung und einen hohen Strahlungswärmeübergang sollen ein effizienter Brenngaseinsatz und geringe Schadstoffemissionen erreicht werden. Der zu entwickelnde Mehrstoffbrenner muss hohe Leistungsdichten aufweisen, die gerade beim Dampf-Reforming von großer Bedeutung sind. Um eine hohe Effizienz des Gesamtsystems zu erreichen, müssen energiehaltige Prozessgase (z.B. nicht genutztes Reformat während des Aufheizbetriebes oder das Anodenrestgas beim Betrieb einer Brennstoffzelle) in den Brenner zurückgeführt und für den Prozess genutzt werden. Der Brenner muss also sowohl mit den normalen Brenngasen als auch mit wasserstoffhaltigen Restgasen betrieben werden können.  

Teilprojekt 3 – belChem: Entwicklung, Fertigung und Test Hochtemperaturdämmung
Für den Einsatz innerhalb des Zwiebelschalen-Reformers zur Dämmung der einzelnen Prozessstufen sowie für die Dämmung des gesamten Reformers zur Gehäuseumgebung müssen modulare, effiziente Dämmstoffe für den Hochtemperaturbereich entwickelt werden. Dafür sind geeignete Dämmmaterialien und Verarbeitungsmethoden zu recherchieren und serientaugliche, montagefreundliche Dämmkomponenten zu entwickeln. Entscheidend hierfür sind einerseits die Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Feuchtebeständigkeit, Schrumpfverhalten, Medienverträglichkeit) und andererseits die Verarbeitbarkeit und Möglichkeit der Formgebung (z.B. Vakuumformung).  

Teilprojekt 4 – inhouse engineering: Entwicklung eines Brennstoffzellen-Stacks und verfahrenstechnische Verschaltung
Die Referenzuntersuchung des neu entwickelten Reformers zur Wasserstofferzeugung aus Erdgas soll in einem Brennstoffzellen-Demonstrator durchgeführt werden. Dazu sind ein Brennstoffzellen-Modul und ein spezieller Brennstoffzellen-Stack zu entwickeln, der an die Qualität (Zusammensetzung Wasserstoff/Inert-Gase, Druck, Temperaturniveau etc.) des erzeugten wasserstoffreichen Reformats angepasst ist.
Um ein Gesamtsystem zu entwickeln, dass sich durch eine hohe Energieeffizienz und einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet, ist es erforderlich, dass sowohl das Zwiebelschalen-Reformer-Modul als auch das Brennstoffzellen-Modul optimal verfahrenstechnisch zusammenwirken. Darüber hinaus werden hochwertige, standardisierte BoP-Komponenten benötigt, die intelligent mit dem Brennstoffzellen-Stack und dem Reformer-Modul zusammenwirken. Grundlage für einen Erfolg dieses Arbeitspaketes bildet die enge Verzahnung zwischen Modellierung, Simulation und experimenteller Entwicklung.  

Teilprojekt 5 – RBZ: Balance of Plant und Wärmeauskopplung, alternative Anwendungen
Mit dem entwickelten Reformer-Modul wird im BZ-Demonstrator eine Referenzuntersuchung durchgeführt. Dazu wird eine separate Gasfeinreinigungsstufe entwickelt und in dem BZ-Demonstrator thermodynamisch und verfahrenstechnisch integriert. Die Gasfeinreinigung muss entsprechend dem CO-Gehalt des erzeugten wasserstoffreichen Reformats und dem angestrebten Durchsatz bilanziert und ausgelegt werden, um eine zuverlässige Reduzierung des CO-Gehaltes unter 10 ppm zu erreichen.
Für die Entwicklung eines Reformer-Systems sind neben dem eigentlichen Zwiebelschalen-Reformer auch die Peripherie zur Medienversorgung und Abgasabführung sowie Komponenten für die effektive Auskopplung nutzbarer Wärme zu entwickeln und zu testen. Die Auslegung der Wärmeauskopplung zwischen den einzelnen Stufen der Gasreinigung und aus dem Gesamtsystem ist abhängig von der Betriebsweise der Module einzeln und im Verbund. Hierfür sind geeignete Auskopplungsverfahren zu entwickeln, die eine Wärmenutzung einschließlich Brennwerteffekt ermöglichen.
Ein weiteres Projektziel stellt die Evaluierung von potenziellen Anwendungsgebieten für dezentrale Wasserstofferzeugung mittels Dampf-Reformierung dar. Für die verschiedenen Anwendungen sind die Anforderungen an die Gasqualität, der Reformatgasbedarf, angestrebte Laufzeiten und Lastwechsel sowie Aufstell- und Betriebsbedingungen zu ermitteln. Dazu sind auch Scaling-Verfahren für die Größenvariation zu entwickeln.  

Die Partner

Kontakt

Dr.-Ing. Katrin Grosser
RBZ Riesaer Brennstoffzellentechnik GmbH
Industriestr. A11
01612 Glaubitz
Tel.:  (035 265) 51-240
Fax: (035 265) 55 845
E-Mail: info[at]rbz-fc.de
http://www.rbz-fc.de 


Laufzeit: 01.05.2009-30.04.2011