Analyse von Verbesserungspotentialen der Gaserzeugung eines PEMFC-Hausenergiesystems
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2010-11-10
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Abstract
In den privaten Haushalten kann ein Brennstoffzellen-Hausenergiesystem wegen der hohen
Stromkennzahl einen erheblichen Beitrag zur angestrebten Reduzierung der CO2-Emissionen
und des Primärenergiebedarfs leisten. Wesentlicher Bestandteil des Brennstoffzellensystems ist
die Gaserzeugung und Gasreinigung zur Produktion von CO-freiem Wasserstoff aus Erdgas. Die
bestehenden Prototypen der Gasprozessoren erreichen bislang noch nicht die avisierten Wirkungsgrade
und Standzeiten. Daher ist eine stetige Weiterentwicklung erforderlich.
Ziel dieser Arbeit war daher, mittels Simulationsrechnungen die Möglichkeiten zu untersuchen,
die Gaserzeugungseinheit einer Hausenergieversorgungsanlage durch konstruktive und verfahrenstechnische
Veränderungen energetisch und sicherheitstechnisch zu verbessern.
Zu diesem Zweck wurde ein Modell der Gaserzeugung entwickelt, das die konstruktiven Gegebenheiten
detailliert berücksichtigt und alle Energieflüsse innerhalb des Systems hinreichend genau
erfasst (mehrdimensionales Modell).
Zur Untersuchung der verbesserten Energiezufuhr in den Reformierungsreaktor wurden verschiedene
konstruktive Varianten zur Beheizung des Reaktors geprüft, um den Energieeintrag in
den Reformer an der Stelle zu erhöhen, wo die Reaktionsgeschwindigkeit und entsprechend der
Energiebedarf am größten sind.
Großes Potential zur Steigerung der Effizienz des Gaserzeugungssystems bietet die Rückführung
des Anodenrestgases auf den Reformerbrenner. Bei dieser Rezirkulation können allerdings Probleme
wie z. B. Schwankungen in der Anodenrestgasmenge und Zusammensetzung auftreten,
welche in allen Betriebszuständen beherrschbar sein müssen. Für den Normalbetrieb, für das
Anfahren und für unvorhergesehene Störfälle wurden stationäre und dynamische Simulationen
durchgeführt, mit denen die sicherheits- und verfahrenstechnischen Grenzen der Anodenrestgasrückführung
ermittelt wurden.
Anhand von weiteren Simulationsrechnungen erfolgte eine Optimierung der Wärmeintegration
und daraus resultierend die Entwicklung eines neuen Wärmeübertragernetzwerkes. Auf Grundlage
dieser Ergebnisse wurde schließlich ein Vorschlag für eine Neukonstruktion des Gaserzeugungssystems
erarbeitet, der die wesentlichen Schwachstellen des bestehenden Systems beseitigt.
Durch vergleichende Simulationsrechungen konnte belegt werden, dass sich der Wirkungsgrad
der Gaserzeugung durch konstruktive Veränderungen, aber auch durch Optimierung der Betriebsparameter,
noch erheblich steigern lässt.
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Table of contents
Keywords
dezentrale Energietechnik, PEMFC, Gaserzeugung