Projekt 26562/01

Entwicklung eines innovativen Steam-Reformers für flüssige Energieträger zum Einsatz in stationären Brennstoffzellensystemen im Leistungsbereich 1-2 kW elektrisch

Projektträger

WS Reformer GmbH
Dornierstr. 14
71272 Renningen
Telefon: 07159 / 1632 42

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Kraft-Wärmekoppelung auf Basis von Brennstoffzellen ist eine vielversprechende Option zur kostengünstigen und emissionsarmen Energieerzeugung. Sie benötigt den Energieträger Wasserstoff, hat aber als einzige Micro-KWK-Technologie ein CO2-Reduktionspotential von bis zu 20% gegenüber der effizien-testen Kombination zentrale Stromerzeugung (GUD) / dezentrale Wärmerzeugung (Gas-Brennwert).
Neben dem nahezu geräuschlosen, wartungsarmen Betrieb ohne toxische Schadstoffemissionen und dem hohen elektrischen Wirkungsgrad selbst in kleinen 1-kW-Anlagen dürfte der Einsatz von regenerativen, flüssigen Energieträgern ein wichtiger Erfolgsfaktor sein. Die CO2-Emissionen lassen sich so weiter drastisch reduzieren und das Marktpotential erweitert sich mit einem flüssigen Energieträger erheblich.
Da es keine flächendeckende Infrastruktur für Wasserstoff gibt, spielt die dezentrale Reformierung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen eine herausragende Rolle. Die Reformierung von nicht leitungsgebundenen, flüssigen Energieträgern eröffnet der Brennstoffzelle dabei den Markt der netzfernen Stromerzeugung z. B. in den Anwendungsfeldern Campingmobilen, Yachten, und USV im Telekommarkt.
Neben fossilem LPG kommen Methanol, Ethanol oder DME in Frage. LPG ist flächendeckend vorhanden und Stand der Technik, Methanol wird wegen der Toxizität allgemein als kritisch eingestuft. Bio-Ethanol und DME sind verhältnismäßig einfach flüssig mit hoher Energiedichte zu speichern. Die Reformierung von Bio-Ethanol stellt wegen der C-Doppelbindung jedoch eine besondere Herausforderung dar.
Im Rahmen dieses Fördervorhabens wurden folgende Ziele verfolgt:
1. Entwicklung und den Aufbau von 2 Gaserzeugungseinheiten als Funktionsmuster im 1-2 kW Bereich für Systeme mit Hochtemperatur (120-160°C) - und Niedertemperatur (55-70°C) PEM-Brennstoffzelle in Modulbauweise.
2. Schwerpunktmäßiger Einsatz des regenerativen flüssigen Energieträgers Bio-Ethanol, was die grundlegende Entwicklung des Temperaturmanagements und die Auswahl der Katalysatoren für die rußfreie Steamreformierung sowie den sicheren Betrieb des Brenners mit flüssigem Kraftstoff beinhaltet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Bearbeitung wurde das Vorhaben in die folgenden vier Arbeitspakete untergliedert:
AP 1 Grundlagen
In AP1 sollen die erfolgreichen Vorversuche zur Dampfreformierung und Verbrennung von DME, Metha-nol und Ethanol weitergeführt und experimentell in praxisnahen Versuchsträgern systematisiert werden.
AP 2 Entwicklung Flüssigkeitsbrenner
Das FLOX® Brennersystem besteht aus einem Startbrenner nach dem Vormischprinzp für den Kaltstart und einen FLOX®-Brenner für den Betrieb mit überwiegend anode-off Gas aus der Brennstoffzelle. Ziel des AP2 ist die Anpassung des Startbrenners an flüssige Kraftstoffe und die Zu Dosierung des Kraftstoffes in den anode-off Gasstrom im Betrieb mit Brennstoffzelle. Unter Systemgesichtspunkten ist speziell für Ethanol zu berücksichtigen, ob Ethanol rein, oder bereits als reformiertaugliche Ethanol-Wassermischung vorliegt.
AP 3 Prototypentwicklung Reformer C1/HT-PEM
Zielsetzung des Arbeitspaketes ist die Konstruktion, Fertigung und der Versuchsbetrieb eines Funktionsmusters für HT-PEM Systeme auf Basis des bestehenden Reformerdesigns und Erweiterung auf den in AP 2 entwickelten Flüssigbrenners.
AP 4 Prototypentwicklung Reformer C1/LT-PEM
Zielsetzung des Arbeitspaketes ist die Konstruktion, Fertigung und der Versuchsbetrieb eines Funkti-onsmusters für LT-PEM Systeme auf Basis der in AP 3 erarbeiteten Ergebnisse.
AP 5 2000h-Dauertest mit Ethanol
Gegenstand des Arbeitspaketes ist die Validierung der in AP 1 erarbeiteten Grundlagen in der in AP 2-4 entwickelten Hardware. Ferner die Demonstration der Funktion im Langzeitbetrieb.


Ergebnisse und Diskussion

Im Projekt wurden mehrere Optionen zur Reformierung von Ethanol auf einer Erdgas-Reformerplattform von WS Reformer erprobt. Zunächst wurde ein Ethanol-Startbrenner zur Aufheizung des Systems entwickelt. Der Brenner muss mit reinem Ethanol betrieben werden und benötigt eine elektrische Vorheizung. Die Vorheizleistung kann auch bei Inselsystemen aus der Pufferbatterie erfolgen. Die technischen Rahmenbedingungen des Reformersystems legen die Speicherung des Kraftstoffes in reiner Form nahe. Es wurden Verfahren mit und ohne Vorreformierung für Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen erprobt. Das Übersichtsschema zeigt die Optionen.

Entsprechend der Zielstellung des Projektes können alle Optionen mit dem Medienversorgungsmodul bestückt werden, das aus Elementen des Standarderdgasreformers und Sonderbauteilen (grün) für den Ethanoleinsatz besteht. Die zweistufige Reformierung (Pre-Reformer und Reformer) wurde erfolgreich getestet (Option 1 und 3). Aus Kostengründen ist die einstufige Variante jedoch zu bevorzugen (Optio-nen 2 und 4). Letzte Ergebnisse mit einem neuen, kommerziell verfügbaren Katalysatorsystem weisen darauf hin, dass dieser Schritt erfolgreich beschritten werden kann. In Folgeprojekten soll das System mit einer Brennstoffzelle gekoppelt werden und Langzeiterfahrungen über mehrere tausend Stunden gemacht werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse wurden bisher noch nicht veröffentlicht. Es sind ein Artikel in einer Fachzeitschrift und die Vorstellung des Produkts auf der Hannover Messe 2012 geplant.


Fazit

Die technischen Ziele wurden weitgehend erreicht. Im Projekt konnten produktnahe Prototypen entwickelt werden. Die kommerzielle Verwertung muss zum Zeitpunkt des Projektabschlusses eher verhalten bis kritisch bewertet werden, da die Anfragen vom Markt für einen regenerativen, flüssigen Kraftstoff waren in 2007/2008 zahlreicher als heute.

Übersicht

Fördersumme

80.525,00 €

Förderzeitraum

21.05.2008 - 31.12.2010

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik