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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, 25.01.2017
Thermische Rekuperation in Fahrzeugen
Einleitung: Konzeptvergleich
• Konventioneller Motor
• Modifizierter Prozess
(Abwärmenutzung mittels endothermer Reformierung)
Simulation endothermer Reformierung
Fallstudie: MGT-Prozess
Strategien zur Wirkungsgradsteigerung
Fließbildsimulation in Aspen Plus
Wärme- und Prozessintegration
Energieanalyse
Zusammenfassung und Ausblick
DLR.de • Folie 2
Agenda
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Kraftstoff + Luft
Abgas
Abwärme-
nutzung
Abwärme-
nutzung
(A) Konventioneller Verbrennungsmotor
• Heißes Abgas hoher Wärmeverlust! Wiedernutzung der Abwärme?
(B) Modifizierter Prozess mit thermo-chemischer Rekuperation
• Wärmerückgewinnung aus dem heißen Abgas
• zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades (η)
DLR.de • Folie 3
Einleitung: Prozessidee
Hohe Temp.:
500-800 °C
Hohe Temp.:
500-800 °C
Kraftstoff
Luft
Abgas
Reformer Reformer
Wärmetauscher Wärmetauscher
Kraftstoff
Wasser
Luft
Rekuperation
Abgas
M M
Modifikation
Wärmerekuperation
Kraftstoff-Reformierung
Modifikation
Wärmerekuperation
Kraftstoff-Reformierung C8H18 + 8 H2O 𝑾ä𝒓𝒎𝒆
8 CO + 17 H2
Temp. Absenkung:
120-200 °C
Temp. Absenkung:
120-200 °C
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Vorteile
Wirkungsgradsteigerung
Kraftstoffeinsparung
Bessere Verbrennung [1]
Geringere Emissionen
(CO, NOx, usw.) [2]
Nachteile
• Zusätzliche Geräte:
Reformer, Wassertank,
Wärmetauscher, usw.
• Anpassung der Motor-
steuerung erforderlich
DLR.de • Folie 4
Vergleich des Energieflusses
Modifizierter Prozess mit Kraftstoff-Reformierung Modifizierter Prozess mit Kraftstoff-Reformierung fuelfuel
output
LHVm
P
*
Motor
Kraftstoff Abgas
Poutput
Kraftstoff Abgas
Poutput Motor Reformer
Thermo-chemische Rekuperation
Konventioneller Verbrennungsmotor Konventioneller Verbrennungsmotor η = 25-30 % η = 25-30 %
η = 32-40 % η = 32-40 %
Abwärme-
nutzung
Abwärme-
nutzung
1. J.F. Cassidy, 1977, NASA Technical Note: D-8487.
2. E.M. Goodger, 1980, Alternative Fuels, MacMillan.
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Annahmen
• iso-Octan (C8H18) als die Hauptkomponente des Benzins
• Reaktionsgleichgewicht
• 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]
DLR.de • Folie 5
Endotherme Reformierung
Dampf-Reformierung C8H18 + 8 H2O → 8 CO + 17 H2 ∆𝐻298𝐾 = + 1274 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙_𝐶8 (𝐺𝑙. 1)
Wasser-Gas Shift CO + H2O ↔ C𝑂2 + H2 ∆𝐻298𝐾 = − 41 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙_𝐶𝑂 (𝐺𝑙. 2)
Methanisierung CO + 3H2 ↔ C𝐻4 + H2 ∆𝐻298𝐾 = − 206 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙_𝐶𝑂 (𝐺𝑙. 3)
Hauptreaktion Hauptreaktion
M
3. Springmann et al. 2002, Applied Catalysis A: General, 235
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Reaktionsbedingungen
• Temperatur (T)
• Druck (p)
• Steam/Carbon
Molverhältnis (S/C)
DLR.de • Folie 6
Endotherme Reformierung
0
20
40
60
80
100
600 650 700 750 800 850 900
Zusa
mm
ense
tzu
ng
des
re
form
iert
en K
raft
sto
ffs
[v.%
dry
]
Temperatur [°C]
CH4
CO2
CO
H2
0
20
40
60
80
100
2 3 4 5
Zusa
mm
ense
tzu
ng
des
re
form
iert
en K
raft
sto
ffs
[v.%
dry
]
S/C [-]
S/C = 2 T = 700 °C
Simulationsergebnisse
T ↑, S/C ↑ und p ↓
yH2 ↑
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Übersicht
• Zusammenarbeit mit DLR-Institut für Verbrennungstechnik (VT)
• Ziel: Nachweis der Wirkungsgradsteigerung anhand einer realistischen MGT
• Fließbildsimulation in Aspen Plus
• ideales Modell (ohne Wärmeverluste)
• Referenzmodell: MGT ohne Rekuperation
• Base-Case 1: MGT + thermische Rekuperation (Luft-Vorwärmung)
• Base-Case 2: MGT + thermische Rekuperation (Luft/Wasser-Vorwärmung)
• Neues System: MGT + thermo-chemische Rekuperation (Kraftstoff-Reformierung)
• realistisches Modell (mit Druck- und Wärmeverlusten)
• Base-Case 1 und Neues System
DLR.de • Folie 7
Fallstudie: Mikrogasturbinenprozess (MGT)
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Fließbildsimulation und Black-Box Energieanalyse (5 kWe)
• Referenzmodell
MGT ohne Rekuperation
DLR.de • Folie 8
Strategien zur Wirkungsgradsteigerung
MGT
System
Kraftstoff
42 kW
Abgas
37 kW
Strom 5 kW
ηe = 12% ηe = 12%
Brenner Brenner
Turbine Turbine Luft
Strom
Abgas
Kraftstoff
Kompressor
MGT: Referenzmodell MGT: Referenzmodell
p=3 bar
ηisen=0,72 ηisen=0,73
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
DLR.de • Folie 9
Strategien zur Wirkungsgradsteigerung
Luft
vorgewärmte Luft
Strom
Abgas
Kraftstoff Brenner Brenner
Turbine Turbine
Rekuperator Rekuperator
Thermische Rekuperation Thermische Rekuperation
MGT
System Kraftstoff
21 kW Abgas 16 kW
Strom 5 kW
Luftvorwärmung bis zu 685 °C
ηe = 24% ηe = 24%
Fließbildsimulation und Black-Box Energieanalyse (5 kWe)
• Base Case 1
Thermische Rekuperation (Luft)
MGT
System Kraftstoff
18 kW Abgas 13 kW
Strom 5 kW
Luftvorwärmung bis zu 727 °C
ηe = 28% ηe = 28%
Kompressor
p=3 bar
T=790 °C
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
DLR.de • Folie 10
Strategien zur Wirkungsgradsteigerung
Fließbildsimulation und Black-Box Energieanalyse (5 kWe)
• Base Case 2
Thermische Rekuperation (Luft+Wasser)
Dampferzeugung und -einspritzung
Brenner Brenner
Turbine Turbine
Rekuperator Rekuperator Wärmetauscher Wärmetauscher
Kraftstoff
Wasser
Luft
Strom
Abgas
Split Split
Verdampfer Verdampfer
Kompressor
MGT
System Kraftstoff
18,5 kW Abgas 13,5 kW
Strom 5 kW
MGT
+
Luftvorwärmung (685 °C)
&
Dampfeinspritzung
(685 °C, S/C=5)
ηe = 27% ηe = 27%
Direktdampfeinspritzung Direktdampfeinspritzung
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
DLR.de • Folie 11
Strategien zur Wirkungsgradsteigerung
Fließbildsimulation und Black-Box Energieanalyse (5 kWe)
• Neues System
Thermo-chemische Rekuperation
Brenner Brenner
Turbine Turbine
Wärmetauscher Wärmetauscher
Kraftstoff
Wasser
Luft
Strom
Abgas
Split Split Reformer Reformer
Rekuperator Rekuperator
Kompressor
MGT
System Kraftstoff
16 kW Abgas 11 kW
Strom 5 kW
MGT
+
Luftvorwärmung (685 °C),
Dampferzeugung (715 °C),
Kraftstoff-Reformierung
(715 °C)
ηe = 32% ηe = 32%
Verdampfer Verdampfer
Thermo-chemische Rekuperation
Thermo-chemische Rekuperation
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Überblick: Black-Box Energieanalyse einer 5-kWe-MGT
• Vergleich verschiedener Konzepte zur Abgaswärmenutzung
Beste Leistung: thermo-chemische Rekuperation (mit Kraftstoff-Reformierung)
DLR.de • Folie 12
Strategien zur Wirkungsgradsteigerung
MGT
System
Kraftstoff
42 kW
Abgas
37 kW
Strom 5 kW
Referenzmodell
MGT + Kraftstoff-Reformierung (715 °C)
MGT
+
Rekup.
Kraftstoff
18,5 kW Abgas 13,5 kW
Strom 5 kW
MGT + Dampfeinspritzung (685 °C, S/C=5)
ηe = 12% ηe = 12%
ηe = 27% ηe = 27% ηe = 32% ηe = 32%
MGT
+
Rekup.
Kraftstoff
16 kW Abgas 11 kW
Strom 5 kW
MGT
+
Rekup.
Kraftstoff
21 kW Abgas 16 kW
Strom 5 kW
MGT + Luftvorwärmung (685 °C)
ηe = 24% ηe = 24%
Base-Case 1
Neues System Base-Case 2
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Prozesssimulation
in Aspen Plus®
• ideales Modell
(ohne Wärmeverluste)
Einfluss der Temperatur
und des S/C-Verhältnisses
+ TRefm ↑ und S/C ↑
- TTurbine und QAbgas sind
beschränkt
Pinch-Analyse benötigt
DLR.de • Folie 13
Neues System:
Sensitivitätsanalyse
26
28
30
32
34
600 650 700 750 800
Str
om
eff
izie
nz [
%]
Temperatur [°C]
S/C 2
S/C 2.5
S/C 3
S/C 3.5
S/C 4
Wärmebedarf Wärmebedarf
Abwärme zur
Nutzung
Abwärme zur
Nutzung
fuelfuel
output
LHVm
P
*
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Kompressor Turbine
Kraftstoff
Pumpe 2
Luft
HEX3
HEX1
Pumpe 1 HEX2
Reformer
Wasser
H2, CH4, CO
685 ̊C
790 ̊C
Strom
Wärmebedarf (Q4)
HEX0Brenner
Abgas
Abwärme
Q1
Q2
Q3
715 ̊C
140 ̊C
Pinch-Analyse
• Optimale Bedingungen:
• TRefm = 715 °C
• pRefm = 3,5 bar
• S/C = 3,1
DLR.de • Folie 14
Wärmeintegration
0
200
400
600
800
0 10 20 30 40 50
Te
mp
era
tur
[°C
]
Enthalpie [kW]
Cold composite curve
Hot composite curve
∆ 𝑇=23 K
Pinch
∆ 𝑇=20 K
26
28
30
32
34
600 650 700 750 800
Str
om
eff
izie
nz [
%]
Temperatur [°C]
S/C 2
S/C 2.5
S/C 3
S/C 3.5
S/C 4
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Kompressor Turbine
Kraftstoff
Pumpe 2
Luft
HEX3
HEX1
Pumpe 1 HEX2
Reformer
Wasser
H2, CH4, CO
685 ̊C
790 ̊C
Strom
Wärmebedarf (Q4)
HEX0Brenner
Abgas
Abwärme
Q1
Q2
Q3
715 ̊C
140 ̊C
COMPRESS
TURBINE
BURNER
REFORM ER
P001
P002
HEX-R
SPLIT
HEX-1
HEX-3
HEX-2
HEX-4
MIXER
FILTER
AIR
C-AIR
C8H18
HOTGAS
FLUEGAS
WORKW
COMP-W
PH-AIR
REFOM ATE
H2O
STEAM
GAS2
P-C8H18
PW
PREC8H18
S01
S03
S02
S11
S13 S12
PHW
S21
Q
EXGAS
FEED
DLR.de • Folie 15
Realistischer
Wirkungsgradgewinn
Reformer Reformer
Brenner Brenner
Verlustbehafteter Vergleich Base Case 1 und Neues System
• Realistisches Modell MGT (5 kWe)
mit Druck- und Wärmeverlusten
+ Luftvorwärmung
+ thermo-chemischer
Rekuperation
• Wirkungsgradsteigerung
20,3 % 26,0 %
Erhöhung: +5,7 %
• Kraftstoffverbrauch
2,0 kg/h 1,56 kg/h
Einsparung: -22 %
Verluste im Antriebs-
strang: 10%
Verluste im Antriebs-
strang: 10%
Wärmetauscher-netzwerk
Wärmetauscher-netzwerk
MGT MGT
Realistisches Modell Realistisches Modell
Kompressor Kompressor
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
DLR.de • Folie 16
Energieanalyse
Base-Case 1: thermische Rekuperation (Luft) ↓
Neues System: thermo-chemische Rekuperation
(Kraftstoff-Reformierung) →
ηe = 20,3 % ηe = 20,3 %
Verluste im
Antriebsstrang
0,5 kW
Verluste im
Brenner
1 kW
Verluste in
d. Turbine
1 kW
Verluste im
Wärmetauscher-
netzwerk 0,5 kW
Verluste im
Reformer
0,5 kW
Verluste im
Brenner
1 kW
Verluste in
d. Turbine
1 kW
ηe = 26,0 % ηe = 26,0 %
Endotherme Reformierung:
mehr Abwärme
zurückgewonnen
Endotherme Reformierung:
mehr Abwärme
zurückgewonnen
Realistisches Modell Realistisches Modell
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
• Konzept „Integration der endothermen Kraftstoff-Reformierung in einen
Verbrennungsmotor“ erstellt
• Integrierter Prozess (MGT + Reformierung) ausgelegt und simuliert
• Wärmeintegration und Energieanalyse durchgeführt
• Ziel: Experimentelles Verbrennungssystem mit thermo-chemischen Rekuperation
Erhöhung des el. Wirkungsgrades einer realistischen 5-kW-MGT (20% 26%)
Verringerung des Kraftstoffverbrauchs (-22%)
Übertragung auf Range Extender Konzepte in Hybrid-Fahrzeugen?
Reduzierung der Schadstoffemissionen (CO, NOx, usw.)
experimenteller Nachweis?
DLR.de • Folie 17
Zusammenfassung
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
• Aufbau eines Laborteststandes
• Ankopplung an Motorprüfstand
• Detaillierte Modellierung und techno-ökonomische Bewertung
DLR.de • Folie 18
Ausblick
Gewicht
Emissionen
Effizienz
Ökonomie
Wartung
Markteinführung
Konventioneller MotorModifizierter Prozess
Bewertung:
Potenzial der Range Extender
Technologien
Bewertung:
Potenzial der Range Extender
Technologien
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Jiafei Zhang
TT-TPT-ABS
jiafei.zhang@dlr.de
Danksagung:
Jan Zanger (VT)
Thomas Krummrein (VT)
Torsten Ascher (TT)
Friedemann Albrecht (TT)
Thermische Rekuperation in Fahrzeugen
Wärmetauschernetzwerk
• Wärmeverbrauch:
Luftvorwärmung > Dampfüberhitzung > Reformierung > Kraftstoffvorwärmung
• Splitverhältnisse
• 0,927 (Luft)
• 0,050 (Dampf)
• 0,023 (Kraftstoff)
• Gestaltung
• Wärme
• Temp.
• Fläche
• usw.
DLR.de • Folie 20
Wärmeintegration
790°C 142 °CH-1
685 °C
715 °C
715.5 °C
715 °C
159 °C
H-2
H-3
H-4
H-1
H-2
H-3
H-4
3.29 kW1.67 kW
0.83 kW
28.99 kW
715 °C
161.1 °C
25.1 °C
25.4 °C
738 °C
T ≥ 181.1 °CH-5
3.97 kW
H-5
Reformer
Fuel
Water
Air
Turbine outlet gas
160 °C
T ≥ 180 °C
140 °C
Reformer Reformer Luft Luft Kraftstoff Kraftstoff
Verdampfung Verdampfung Überhitzung Überhitzung
> VDI Fachkonferenz > Jiafei Zhang • TT-TPT > Stuttgart • 25-26.01.2017
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