Gasreformierung steigert elektrischen Wirkungsgrad

Der Reformgasmotor im Versuchsbetrieb auf dem Prüfstand der ECC
Automotive: Links ist der Motor zu sehen, daran sitzt der Reformer,
rechts davon der Dampferzeuger.
© OWI Oel-Waerme-Institut GmbH
Effizienzsteigerung von Blockheizkraftwerk
03.03.2016
Gasreformierung steigert elektrischen Wirkungsgrad
Die Grafik zeigt den prinzipiellen Aufbau von
Motor und Reformer.
© OWI Oel-Waerme-Institut GmbH
Forscher haben einen für ein mobiles Brennstoffzellensystem konzipierten
Reformer weiterentwickelt. Der neue Reformer steigert den
Systemwirkungsgrad von Blockheizkraftwerken mit Gasmotor. Er nutzt die
Abwärme des Motors, um aus Erdgas und Wasserdampf ein energetisch
höherwertiges Brenngas zu erzeugen. Dieses Gemisch aus Wasserstoff,
Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid wird direkt in den Motor
geleitet. Der höhere Brennwert des Gases und der verbesserte
Motorwirkungsgrad steigern den Gesamtwirkungsgrad des
Blockheizkraftwerks.
Das neue Dampfreformierungsverfahren basiert auf Ergebnissen des Forschungsprojekts MÖWE III, bei dem es
darum ging, aus Diesel ein geeignetes Brenngas für mobile Brennstoffzellen herzustellen. Die Reformertechnik
lässt sich aber auch dafür nutzen, den elektrischen Gesamtwirkungsgrad von erdgasbetriebenen
Blockheizkraftwerken (BHKW) zu verbessern.
Die Forscher vom OWI Oel-Waerme-Institut und von ECC Automotive passten alle Komponenten vom Motor bis
zum Reformer an die veränderten Anforderungen an. In einer Versuchsanlage erprobten sie das für BHKW bis 50
kWel ausgelegte System aus Gasmotor und Dampfreformer.
Reformer und Hochtemperatur-Gasmotor gekoppelt
Das Gesamtsystem besteht aus einem Erdgas-Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung mit einer elektrischen
Leistung von 20 bis zu 40 Kilowatt, einem Dampfreformer mit einem katalytisch beschichteten
Plattenwärmetauscher samt Nebenaggregaten. Die Entwickler überarbeiteten den Motor, um eine möglichst hohe
Abgastemperatur für die Reformierung zu erreichen und legten die Anlage für einen Hochtemperaturbetrieb
oberhalb von 600 bis maximal 900 Grad Celsius aus. Ein neu entwickeltes Saugrohr ermöglicht, den Motor mit
den energiereicheren hoch wasserstoffhaltigen Brenngasen zu betreiben. Damit es nicht zu einem
Flammrückschlag ins Saugrohr kommen kann, leiten getrennte Zuleitungen zeitversetzt reine Luft und ein
Gemisch aus Luft und wasserstoffreichem Reformgas in die Brennräume des Motors.
Der Dampfreformer nutzt die thermische Energie des Abgases direkt für die Reformierung und Verdampfung.
Der Dampfreformer nutzt die thermische Energie des Abgases direkt für die Reformierung und Verdampfung.
Dadurch konnten mehr als zehn Prozent der im Brennstoff enthaltenen Energie im System zurückgewonnen
werden. Die Forscher gehen davon aus, dass ein solches BHKW durch die höhere erzeugte Strommenge bei
Netzeinspeisung wirtschaftlicher betrieben werden kann. Durch eine integrierte Abgasnachbehandlung im
Reformer lassen sich außerdem umweltschädliche Emissionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen,
wie Formaldehyd und Methan, deutlich reduzieren.
Die neue Reformertechnologie nutzt die Ergebnisse des 2015 abgeschlossenen Verbundprojekts MÖWE III (
BINE Informationsdienst berichtete), in dem Dampfreformer für Dieselkraftstoff für ein modulares
Brennstoffzellensystem entwickelt wurde, das als Auxiliary Power Unit (APU) beispielsweise Wohnmobile oder
Boote mit elektrischer Energie versorgt. Ein Schwerpunkt der Weiterentwicklung für die Anwendung am
Reformgasmotor war die Reduzierung der Druckverluste bei Durchströmung des Reformers. Diese konnten durch
eine geeignete Auslegung – trotz der Verwendung mikrostrukturierter Wärmeübertrager – sehr klein gehalten
werden, sodass die zusätzlich aufzuwendende Ladungswechselarbeit kaum noch ins Gewicht fällt. Ein
kompakter, mikrostrukturierter Plattenwärmeübertrager minimiert die Wärmeverluste des Systems. Dieser Aufbau
gewährleistet eine große Katalysatorfläche sowie einen intensiven Wärmeübergang zwischen dem Abgas und
dem Reformgas.
Reformer ermöglicht höhere Betriebsstundenzahl des BHKW
Durch den Einsatz des Reformers steigt die elektrische Leistung, die thermische Leistung sinkt, da die
erforderliche Energie dem Abgas entzogen wird. Die verminderte Wärmeproduktion zugunsten der
Stromproduktion bietet besondere Vorteile für den Sommerbetrieb. In der Summe lässt sich die
Jahresbetriebszeit eines BHKW und somit die Stromproduktion steigern. Die Auslastung verbessert sich. Für
einen wärmeoptimierten Betrieb im Winter kann der integrierte Reformer ausgeschaltet werden.
Hohe Abwärmetemperatur bringt hohen Rekuperationsgrad
Versuchsläufe am OWI zeigen, dass die Rekuperationsgrade des Systems bei höheren Betriebstemperaturen
steigen. Bei Temperaturen bis 900 Grad Celsius können bis zu 15 Prozent des Brennstoffheizwertes im Reformer
chemisch rekuperiert werden; bei etwa 800 Grad Celsius sind noch über zehn Prozent möglich. Verglichen mit
einem reinen Methangasbetrieb steigt der Systemwirkungsgrad um bis zu 13 Prozent – dieser Wert ist höher als
der Rekuperationsgrad: Der Motorwirkungsgrad wurde verbessert. Wahrscheinliche Ursache ist die schnellere
und stabilere Verbrennung des wasserstoffhaltigen Brenngases. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems lässt
sich weiter verbessern durch höhere Motordrehzahlen und eine Aufladung durch einen Turbolader.
Längerfristig planen die Forscher, die Technik auch auf mobile Anwendungsbereiche und alternative Kraftstoffe
zu übertragen.
Das Projekt wurde durch das Bundesland Nordrhein-Westfalen und die Europäische Union (EU) im Rahmen des
Ziel 2-Programms 2007 – 2013 des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
(gh)

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