Aktuell / 01.03.2016

Gasreformierung steigert elektrischen Wirkungsgrad von BHKW

Der Reformgasmotor im Versuchsbetrieb auf dem Prüfstand der ECC Automotive, die Komponenten sind gekennzeichnet. Foto: OWI Oel-Waerme-Institut GmbH

Forscher haben einen für ein mobiles Brennstoffzellensystem entworfenen Reformer weiterentwickelt und setzen ihn zur Optimierung von Blockheizkraftwerken mit Gasmotor ein: Der Reformer nutzt 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. Nicht alleine der höhere Brennwert des Gases, sondern auch ein verbesserter Motorwirkungsgrad steigern den Gesamtwirkungsgrad des BHKW.

Das neue Dampfreformierungsverfahren basiert auf Ergebnissen des Forschungsprojekts MÖWE III, bei dem es darum ging, aus Diesel ein geeignetes Brenngas für mobile Brennstoffzellen herzustellen. Es lässt sich aber auch dafür nutzen, den elektrischen Gesamtwirkungsgrad von erdgasbetriebenen 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 demonstrierten sie, dass dieses für BHKW bis 50 kWel ausgelegte System aus Gasmotor und Dampfreformer funktioniert.

Forscher koppeln Reformer und Hochtemperatur-Gasmotor

Prinzipieller Aufbau von Motor und Reformer. Grafik: OWI Oel-Waerme-Institut GmbH

Das Gesamtsystem besteht aus einem Erdgas-Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung mit einer Leistung von 20 bis zu 40 kWel, einem Dampfreformer mit einem katalytisch beschichteten Plattenwärmetauscher und 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 °C bis maximal 900 °C 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. Durch die Dampfreformierung konnten in den Versuchen mit einem auf hohe Abgastemperaturen optimierten Motor mehr als 10 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. Eine integrierte Abgasnachbehandlung im Reformer kann außerdem umweltschädliche Emissionen von Kohlenwasserstoffen wie Formaldehyd und Methan sowie Kohlenmonoxid deutlich reduzieren.

Die neue Reformertechnologie nutzt die Ergebnisse des 2015 abgeschlossenen Verbundprojekts MÖWE III, 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

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 dass die Rekuperationsgrade des Systems bei höheren Betriebstemperaturen steigen. Bei Temperaturen bis 900°C können bis zu 15 Prozent des Brennstoffheizwertes im Reformer chemisch rekuperiert werden; bei etwa 800 °C sind noch über 10 Prozent möglich. Verglichen mit einem reinen Methangasbetrieb steigt der Systemwirkungsgrad um bis zu 13 Prozent– dieser Wert ist höher als der Rekuperationsgrad: Das bedeutet, 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 Land Nordrhein-Westfalen und die Europäische Union (EU) im Rahmen des „Ziel 2-Programms 2007-2013 (EFRE)“ gefördert.

Verknüpfte Projekte

  • Das neue autonome Brennstoffzellensystem wandelt still und leise - ohne Motor und Generator - Dieseltreibstoff in elektrische Energie. Ein unter der Leitung des Oel-Wärme-Instituts in Aachen entwickelte System zur mobilen Stromversorgung hat seine Bewährungsprobe bestanden. Die Forscher konnten die technische Reife der modular aufgebauten Demonstratoranlage im Inselbetrieb belegen. ... mehr

Projektpartner

Prüfstandstest Gesamtsystem
ECC Automotive GmbH
infoateccing.de

Auslegung Reformersystem
OWI Oel-Waerme-Institut GmbH
infoatowi-aachen.de