Erdgasreforming für PEM – Brennstoffzellen – Neue ...images.energieportal24.de/dateien/afg/gerber-tu-freiberg.pdf · Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Lehrstuhl für

Institut für Wärmetechnik und ThermodynamikInstitut für Wärmetechnik und ThermodynamikLehrstuhl für HochtemperaturanlagenLehrstuhl für Hochtemperaturanlagen

Dipl.-Ing. Jan Gerber [email protected] 1enertec 2005, Leipzig 08.- 11.03.2005

Erdgasreforming für Erdgasreforming für PEM PEM ––Brennstoffzellen Brennstoffzellen

–– Neue Entwicklungen Neue Entwicklungen und und TendenzenTendenzen

DiplDipl..--IngIng. Jan Gerber. Jan GerberDr.Dr.--IngIng. . Hartmut Hartmut KrauseKrauseDiplDipl..--IngIng. . KatrinKatrin GrosserGrosserDiplDipl..--IngIng. . JörgJörg NitzscheNitzsche



1.1. Motivation, Motivation, ProjektpartnerProjektpartner, , ProjekteProjekte

2.2. ReformatgaserzeugungssystemReformatgaserzeugungssystem

3.3. Ergebnisse zumErgebnisse zum stat. und stat. und dyndyn. . BetriebBetrieb

4.4. AusblickAusblick

InhaltInhalt



MotivationMotivation

!! Entwicklung von BrennstoffzellenEntwicklung von Brennstoffzellen--BHKW für den Leistungsbereich BHKW für den Leistungsbereich 4 4 –– ?? kW elektrischer Leistung?? kW elektrischer Leistung

BrennstoffzellenBrennstoffzellen--MiniMini--BHKWBHKW

!! Entwicklung peripherer Aggregate und BaugruppenEntwicklung peripherer Aggregate und BaugruppenBrennstoffzellenBrennstoffzellen--StackmoduleStackmodule, Wasserstofferzeuger, Wasserstofferzeuger

!! Betriebsoptimierung von BrennstoffzellenBetriebsoptimierung von Brennstoffzellen--MiniMini--BHKWBHKW

!! Einsatzgebiete:Einsatzgebiete: -- ForschungsForschungs-- und Demonstrationsanlagenund Demonstrationsanlagen-- dezentrale stationäre Energieerzeuger fürdezentrale stationäre Energieerzeuger fürStadtwerke, GewerbebetriebeStadtwerke, GewerbebetriebeMehrfamilienhäuserMehrfamilienhäuser



Entwicklung und Feldtest von stationären PEM-Brennstoffzellenanlagen für die dezentrale Energieversorgung im Leistungsbereich bis 12 kW, Sächsische Aufbaubank (SAB) und das SMWA

EntwicklungsteamEntwicklungsteam

S&R Schalt- und Regeltechnik GmbHJ. Arnold, F. Beckmann, Ch. HildebrandH. Schneider

TU Bergakademie FreibergIWTT / HTAH. Krause, K. Grosser, J. Gerber, J. Nitzsche

DBI Gas- und Umwelttechnik GmbHW. Kühne, St. GieselM. Schilling

Projekte seit 2000Projekte seit 2000

Komponentenentwicklung für skalierbare erdgasbetriebene Brennstoffzellen-BHKW in der dezentralen Energieversorgung, BMWA

Entwicklung eines integrierten Dampfreformers für erdgasbetriebene Brennstoffzellenheizgeräte, InnoRegio-Projekt RIST



•• VersuchsanlagenVersuchsanlagen– 1-kW-Teststand für PEM-Stacks (S&R)– Katalysatorversuchstand (Erweiterung, TU BA)– Komponententestanlage (TU BA, TGZ Glaubitz)– Brennerversuchstand (DBI)– 4-kW-Teststand (Reformer + Stackperipherie)

•• FeldtestanlagenFeldtestanlagen– Stadtwerke Riesa 4 kW el. (12/2003)– IMG Nordhausen 3 kW el. (12/2004)– Stadtwerke Chemnitz 4 kW el. (04/2005)

Übersicht realisierter VersuchsÜbersicht realisierter Versuchs-- und Feldtestanlagenund Feldtestanlagen



MehrstoffMehrstoff--Oberflächenbrenner für Oberflächenbrenner für die Reformerbeheizungdie Reformerbeheizung

– hohe gleichmäßige Leistungsdichte

– niedrige Abgasemissionen CO < 10 ppm, Nox < 10 ppm

– Regelbereich 25 – 100%– Verbrennung von Erdgas und

rückgeführtes Restgas aus dem Stack



Bisher realisierte VersuchsBisher realisierte Versuchs-- und Feldtestanlagen 1und Feldtestanlagen 1Versuchsanlage im Technologieorientierten Versuchsanlage im Technologieorientierten Gründerzentrum (TGZ) GlaubitzGründerzentrum (TGZ) Glaubitz

Erste Feldtestanlage bei den Erste Feldtestanlage bei den Stadtwerken RiesaStadtwerken Riesa

Inbetriebnahme 05/2003Inbetriebnahme 05/2003 Inbetriebnahme 12/2003Inbetriebnahme 12/2003



Bisher realisierte VersuchsBisher realisierte Versuchs-- und Feldtestanlagen 2und Feldtestanlagen 2Kompakt ErdgasKompakt Erdgas--DampfDampf--Reformer 4Reformer 4--kWkW--Teststand, Teststand, Standort s&r SchaltStandort s&r Schalt-- und Regeltechnik GmbH, Berlinund Regeltechnik GmbH, Berlin

Inbetriebnahme 04/2004Inbetriebnahme 04/2004

Zweite Feldtestanlage fürZweite Feldtestanlage fürIMG NordhausenIMG Nordhausen




Bisher realisierte VersuchsBisher realisierte Versuchs-- und Feldtestanlagen 3und Feldtestanlagen 3


PEMPEM--BrennstoffzellenBrennstoffzellen--StackStack--Prüfstand 1Prüfstand 1--4 kW el.4 kW el.

− Energieträger: WasserstoffReformat

− Wasserstoffumsatz: bis 85 %− Betriebstemperatur: bis 80 °C− Stromkennzahl bei

Nennlast: 1− Regelbereich: 4 : 1− Lastwechsel 30 - 100%: 3 min− Integrierte Luftversorgung

mit Feuchterückführung aus der Abluft



1.1. ArbeitsgruppeArbeitsgruppe, , bisherige Projektebisherige Projekte




InhaltInhalt



Reformierungsverfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus MethaReformierungsverfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Methann

Dampfreformierung Autotherme Reformierung Partielle Oxidation

Reforming-Reaktionen

CH4 + H2O ⇔ CO + 3H2CH4 + 2H2O ⇔ CO2 + 4H2

CH4 + H2O ⇔ CO + 3H22CH4 + O2 ⇔ 2CO + 2H2

2CH4 + O2 ⇔ 2CO + 2H2

Energiebedarf Q > 0 Q = 0 Q < 0

CO-Konvertierung(Shift-Reaktion) CO + H2O ⇔ CO2 + H2 , Q < 0

CO-Feinreinigung Selektive Oxidation 2CO + O2 ⇒ 2CO2 , Q < 0 alternativ: Methanisierung CO + 3H2 ⇒ CH4 + H2O , Q < 0

Wasserstoffgehalte

- Maximal- Typisch

Primärgas: Erdgas

80 %75 %

45 %40 %

34 %31 %



Verd

ampf

erR

efor

mer

CO-Konvertierung und Feinreinigung

HT TT SelOx

Mehrstoff-Oberflächen-

Brenner

Wasser

Luft

Ents

chw

efel

ung

Erdgas

Verdichter Befeuchter

Restgas-Rückführung

Schichtspeicher/Wärmeabnahme

Wec

hsel

richt

er

Kon

ditio

nier

er

Bre

nnst

offz

elle

nsta

ck

∼

Anlagenschema Anlagenschema ReformatgaserzeugungssystemReformatgaserzeugungssystem + BZ + BZ



Katalysatorversuchstand an der TU Bergakademie Freiberg, Katalysatorversuchstand an der TU Bergakademie Freiberg, Auswahl der untersuchten Auswahl der untersuchten ReformingReforming--KatalysatorkonfigurationenKatalysatorkonfigurationen

Nickel

Edelmetalle

Nickel

Edelmetalle auf γ-Al2O3

Ni in Faser

Edelmetalle auf ?

Ni / Edelmetalle auf ZrO2

Aktive Komp.

25 %Raschigringe L 4 mm

48 %Granulat 2...3 mm

33 %Kugeln Ø 4...5 mm

5 ... 40 %Nickelschaum

2 ... 35 %Metallfasern (gesintert)

45 %Monolith (Keramik) quadratische Kanäle

> 40 %Metallmonolith(gewickelt)

H2-AusbeuteBildKatalysator



1.1. Motivation, Motivation, ArbeitsgruppeArbeitsgruppe, , bisherige Projektebisherige Projekte




InhaltInhalt



Kompakt ErdgasKompakt Erdgas--DampfDampf--ReformerReformer

– Gaszusammensetzung (tr.):H2 71 - 73 % CH4 1 – 2,5 %CO2 17 - 19 % CO < 15 ppmRestfeuchte: > 95% r.F.

– Reformattemperatur: 45 - 70 °C– Abgastemperatur 130 - 150 °C– Vorwärmzeit aus dem Kaltzustand:

nach > 24 h Pause: 2,25 h– Regelbereich: 4 : 1– Lastwechsel 30 - 100%: < 20 min– Wasserstoffleistung: 4,3 m³/h i.N.– Methanumsatz 90 bis 95%



450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00

Bre

nner

, Ref

orm

er [°

C]

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

360

Verd

ampf

er, C

O-K

onve

rtie

rung

, Sel

ektiv

e O

xida

tion

[°C

]; C

O [p

pm]

Reformer Brenner VerdampferCO-Konvertierung CO-Restgehalt Selektive Oxidation

Prozessdauer [h:min]

Anfahrphase, GasqualitAnfahrphase, Gasqualitäät CO [ppm], Inbetriebnahme 07.t CO [ppm], Inbetriebnahme 07.--08.02.200508.02.2005

(Anlage s&r) Resultierende Aufheizzeit: 02:08 h(Anlage s&r) Resultierende Aufheizzeit: 02:08 h(Anlage IMG) Resultierende Aufheizzeit: 01:46 h(Anlage IMG) Resultierende Aufheizzeit: 01:46 h

StartStart



0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00Zeit [h:mm]

CH

4 [Vo

l%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

H2,

rel.

Leis

tung

[%],

CO

[ppm

]

Restmethangehalt RestkohlenmonoxidgehaltWasserstoffgehalt rel. Leistung

Gaszusammensetzung nach Reformer bei dynamischer BetriebsweiseGaszusammensetzung nach Reformer bei dynamischer Betriebsweise

(100 % rel. Reformerleistung (100 % rel. Reformerleistung ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ 4,0 m4,0 m³³/h H/h H2 2 ))



1

2

3

4

5

6

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Rel. Reformerleistung [%]

CO

[ppm

], C

H4 [

%]

60

64

68

72

76

80

Was

sers

toff-

Nut

zung

sgra

d, H

2 [%

]

Restkohlenmonoxidgehalt Restmethangehalt

Wasserstoffgehalt Wasserstoff-Nutzungsgrad (100 % rel. Reformerleistung (100 % rel. Reformerleistung ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ 4,0 m4,0 m³³/h H/h H2 2 ))

Durchschnittliche Gaszusammensetzung im stationDurchschnittliche Gaszusammensetzung im stationäären Betrieb und ren Betrieb und Wasserstoffnutzungsgrad Wasserstoffnutzungsgrad

stEG

HH PP

P2

2Re+

=η



1.1. Motivation, Motivation, ArbeitsgruppeArbeitsgruppe, , bisherige Projektebisherige Projekte




InhaltInhalt



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