Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Fraunhofer UMSICHT entwickelt ein neues Verfahren zur Sauerstoffanreicherung von Luft. Ziel ist es, niederkalorische Gase in Verbrennungsprozessen einzusetzen, die bisher auf Grund der sich einstellenden Verbrennungseigenschaften in Gasmotoren nicht einsetzbar waren. Durch das neue Verfahren k\u00f6nnen die Inertgasanteile der Brenngas-Luft-Gemische reduziert werden. Damit k\u00f6nnen diese Gase (z. B. Gas aus auslaufenden Deponien) zur Strom- und W\u00e4rmeerzeugung genutzt werden und m\u00fcssen nicht mehr ungenutzt abgefackelt werden. Die so erreichte optimale Nutzung von Ressourcen, Steigerung der Brennstoffeffizienz und geringere Emissionen sind ein entscheidender Beitrag zur Schonung der Umwelt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes sind Anlagenkonzepte und Auslegungsgrundlagen entwickelt worden, um Produktionsanlagen f\u00fcr Sauerstoff angereicherte Luft konzipieren zu k\u00f6nnen.
\nDurch eine Potenzialanalyse sind Anwendungsgebiete f\u00fcr das neue Verfahren identifiziert worden. Es wurde eine Literatur- und Patentrecherche durchgef\u00fchrt. Der Stand der Technik zur Gastrennung in Hinblick auf die klassischen Trennverfahren wurde aufgezeigt. Die Verfahren wurden kurz dargestellt. Vor- und Nachteile der Verfahren wurden aufgezeigt. Der neue verfahrenstechnische Ansatz, mit Sauerstoff angereicherte Luft f\u00fcr Verbrennungsvorg\u00e4nge bereitzustellen, wurde detailliert dargestellt.
\nUm Randbedingungen f\u00fcr die wirtschaftliche Einsetzbarkeit des neuen Verfahrens aufzuzeigen, sind umfangreichen Messungen durchgef\u00fchrt worden. Dazu wurde ein spezieller Versuchsaufbau konzipiert. Es k\u00f6nnen so unterschiedliche Volumenstr\u00f6me und Druckniveaus eingestellt werden. Die Dokumentation erfolgte mit einer automatisierten Messwerterfassung. F\u00fcr einen typischen Anwendungsfall sind die geforderten Volumenstr\u00f6me bestimmt worden (BHKW 125 kW elektrischer Leistung). Mit Hilfe der Auslegungsgrundlagen zu Komponenten, Baugruppen, Verdichtergr\u00f6\u00dfe und Leistung, Zubeh\u00f6r, Rohrleitung, Modulanzahl wurden die Kosten der einzelnen Bestandteile einer Anlage in eine Gesamtbetrachtung zusammengefasst. Die Gegen\u00fcberstellung und \u00dcbertragung auf den Datenbestand der durchgef\u00fchrten Messreihen erm\u00f6glicht so eine Bestimmung des optimalen Betriebspunktes unter energetischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten (Optimum f\u00fcr Konzepterstellung einer Pilotanlage). Abschlie\u00dfend wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgef\u00fchrt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Bereits mit O2-Gehalten von 25 % sind deutliche Prozessverbesserungen mit angereicherter Luft zu erzielen. Auf Grund der ersten Erfahrungen wurde ein neuer verfahrenstechnischer Ansatz formuliert. Hintergrund war die energetische Optimierung des Verfahrens, d.h. es sind m\u00f6glichst geringe Druckniveaus f\u00fcr einen geringen Energieeinsatz ma\u00dfgeblich einzuhalten:
\nDie Luft auf der Feedseite wird mit einem Druck von 1 bis 3 bar absolut Druck zugef\u00fchrt. Das Druckniveau auf der Retentatseite betr\u00e4gt 1 bis 2,5 bar absolut. Der mit Sauerstoff angereicherte Permeat-Strom wurde auf ein Druckniveau von 0,4 bis 1,2 bar absolut eingestellt. In den ersten Versuchen haben sich neue, bisher auch den Herstellern von Membranen in dieser Form nicht bekannte Ergebnisse herausgestellt. Bestimmende Einflussgr\u00f6\u00dfen sind die aufgezeigten Druckniveaus und die damit verbundenen Volumenstr\u00f6me. Eine Absenkung des Druckniveaus auf der Permeat-Seite bewirkt eine Verbesserung des Trennprozesses. Der O2 Gehalt erh\u00f6ht sich durch die Vergr\u00f6\u00dferung der transmembranen Druckdifferenz. Gleichzeitig steigt der Volumenstrom auf der Permeat Seite. Diese beiden Effekte f\u00fchren zu einer Verbesserung der Trennleistung.
\nIn Gasmotoren (BHKWs) kann derzeit Deponiegas nur bei mindestens 40 % Methan-Anteil technisch genutzt werden. Der Ansatz, die Randbedingungen der zugef\u00fchrten Verbrennungsluft zu variieren, f\u00fchrt zu folgenden Auswirkungen auf die Betriebsweise des Gasmotors:
\n\u00a7\tVerschiebung der Inertgasanteile bewirkt eine Verringerung der Verbrennungsluftmenge; \u00c4nderung der Verbrennungstemperatur; Luftverh\u00e4ltnis von l =1,7; Erdgasmotor verschiebt sich zu Betriebsweisen mit Luftverh\u00e4ltnis l =1,3; Ver\u00e4nderung der Brenngeschwindigkeiten
\nBerechnungen zeigen: Die Betriebsweise von Deponiegasmotoren mit bis zu 30 % Sauerstoff angereicherter Luft erm\u00f6glichen es, Brenngase mit geringeren Methangehalten < 40 %, d.h. geringerer Methanzahl zu betreiben. Die Grenzen, die dem bisherigen Einsatz gesetzt sind, k\u00f6nnen auf Grund der neu einzustellenden Randbedingungen in Richtung von Methangehalten von 25 % verschoben werden.\n\n\n\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation\n\nMit dem neuen verfahrenstechnischen L\u00f6sungskonzept werden modular aufgebaute Membranmodule zu einem Gesamtanlagenkonzept zusammengef\u00fchrt. Insbesondere die Anpassung an den Anwendungsfall der gasmotorischen Nutzung in BHKWs wurde detailliert untersucht. \nBereits im Juni 2002 ist ein Verfahrenspatent beim Deutschen Patentamt eingereicht worden. Eine abschlie\u00dfende Stellungnahme liegt bisher nicht vor. Des Weiteren ist ein PCT-Patentverfahren eingeleitet worden. Ver\u00f6ffentlichungen sind bisher nicht initiiert worden.\nFraunhofer UMSICHT versucht derzeit wegen der positiven Erfahrungen weitere Anschlussprojekte durchzuf\u00fchren. Es ergaben sich viele unterschiedliche Kontakte zu anderen Anwendungsbereichen - Kl\u00e4ranlagen, Stahlwerken Thema Verbrennungsluftbereitstellung f\u00fcr Warmhalte\u00f6fen und Luftzerlegungsanlagen. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen in ver\u00e4nderten Anwendungen getestet werden. Es werden durch die neue Technik Einsparungen bei dem Energieeinsatz erwartet. Erste Erfahrungen soll dazu eine Testanlage bis zum Jahresende 2003 erbringen.\n\n\nFazit\n\nNach den bisherigen Recherchen sind kommerzielle Anlagen im Bereich der Sauerstoffanreicherung von Luft technisch nicht ausgef\u00fchrt worden oder zu erwerben. In den Versuchsreihen wurde \u00fcberpr\u00fcft, welche Randbedingungen und Parameter f\u00fcr einen optimalen Betrieb des neuen Verfahrens zur Sauerstoff-anreicherung einzuhalten sind. Mit Hilfe der reproduzierbaren Versuchsergebnisse sind Optimierungspotenziale aufgezeigt worden. Mit dem innovativen L\u00f6sungsansatz, den Sauerstoff angereicherten Permeat-Volumenstrom gezielt abzusaugen und das Druckniveau abzusenken, ergibt sich eine Verbesserung des Trennprozesses. Dadurch wird es m\u00f6glich, den Feedvolumenstrom zu optimieren. Auf Grund des geringeren Feedvolumenstromes, der noch zu verdichten ist, ist energetisch ein deutlich g\u00fcnstigeres Verfahren entwickelt worden. \nDas Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) garantiert feste Verg\u00fctungss\u00e4tze f\u00fcr Strom aus Deponiegasen und da die Anlagentechnik auf den Deponien oft vorhanden ist, wird mit Hilfe des neuen Verfahrens die wirtschaftliche Betriebsweise weiterhin erm\u00f6glicht oder stillgelegte Anlagen k\u00f6nnen wieder in Betrieb genommen werden. Durch die Aufweitung des Einsatzbereiches der technischen Nutzung geringerer Gasqualit\u00e4ten wird ein entscheidender Beitrag zur Umweltschonung geleistet. Durch die Nutzung dieser Gase zur Strom- und W\u00e4rmeerzeugung findet eine aktive Reduzierung des Kohlendioxidaussto\u00dfes statt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass mit dem neuen einstufigen Verfahren mit Sauerstoff angereicherte Volumenstr\u00f6me in der Qualit\u00e4t bis ca. 30 % f\u00fcr Verbrennungsprozesse bereitgestellt werden k\u00f6nnen.\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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