Diesel vollständig nutzen

Die Arbeiten am Forschungszentrum (FZ) Jülich zur Reformierung von Mitteldestillaten wie Diesel und Kerosin kommen voran. Das aktuelle Modell erreicht auch noch nach 1.000 Betriebsstunden einen Umsatz von 99,7 %.

08. September 2008

Eines der wichtigsten technischen Probleme bei der Dieselreformierung ist die Lebensdauer des Systems, die durch die oft mangelhafte Langzeitstabilität des Katalysators begrenzt ist. Als wesentliche Herausforderung gilt ein vollständiger Umsatz beziehungsweise ein Umsatz von größer als 99,99 % nach 5.000 h. »Es muss hierfür ein regenerierbarer Katalysator vorhanden und ein entsprechendes Regenerationsverfahren verfügbar sein«, beschreibt Professor Ralf Peters, Leiter der Abteilung Brenngaserzeugung und Systeme, die Aufgabenstellung.

Konkretes Ziel der Entwicklungsarbeiten am Forschungszentrum (FZ) Jülich ist es, das Design und die Konstruktion des Reformers strömungs- und wärmetechnisch so zu verändern und zu optimieren, dass der Betrieb mit einem herkömmlichen Dieselkraftstoff bei vollständigem Kraftstoffumsatz über einen technisch relevanten Zeitraum ermöglicht wird. Damit wollen die Forscher auch die praktische Anwendbarkeit der Dieselreformierung für Brennstoffzellensysteme nachweisen.

Neben der Entwicklung von geeigneten Katalysatoren spielt die Gemischqualität der Edukte beim Eintritt in die Reaktionszone eine wichtige Rolle. Zur Untersuchung und Optimierung des Mischungsprozesses in der Mischkammer des autothermen Reformers führte das FZ Jülich rechnerische und experimentelle Arbeiten parallel durch.

Dazu diente ein strömungsdynamisches Modell (CFD – Computational Fluid Dynamics) der Mischkammer, das die Mischung von Wasserdampf und Luft wiedergeben soll. Weiterhin modellierten die beteiligten Forscher die Einspritzung, Verdampfung und Vermischung des Kraftstoffs. Als Verifizierung und Ergänzung der CFD-Simulationen wurden Experimente zur Strömungsvisualisierung in Modellreaktoren aus Glas durchgeführt.

Diese Untersuchungen ermöglichen die Identifikation von Schwachstellen der Konstruktion. Das Verständnis des Verdampfungs- und Mischungsprozesses ermöglichte es, Änderungen in der Mischkammergeometrie auszuführen, die zur Optimierung der Mischung führten.

Die Mischkammer der aktuellen Reformergenerationen ATR 7 und ATR 8 wurde in zwei Zonen unterteilt. In die erste Zone, der Verdampfungskammer, wird überhitzter Wasserdampf zugeführt und flüssiger Kraftstoff mittels einer Einstoffdüse eingespritzt und zerstäubt. Zum Gemisch aus Wasser- und Dieseldampf wird dann in der zweiten Zone Luft zugemischt. Der auf diesem Konzept basierende autotherme Reformer hat die Bezeichnung ATR 7.

In einer Modifikation dieses Mischkammerkonzeptes werden etwaige nicht verdampfte Destillationsrückstände aus dem Gemisch mittels dynamischer Kräfte in den Strömungsstrukturen abgetrennt. Diese Variante des Reformers trägt die Bezeichnung ATR 8.

Die Reaktoren wurden mit Aral-Ultimate-Dieselkraftstoff für 500 und 1.000 Stunden betrieben. Während der Versuchsdauer ergab sich in keinem der Reaktoren eine messbare Abnahme der katalytischen Aktivität. Analysen des Betriebs haben einen Umsatz des dem ATR 8 zugeführten Kraftstoffes von über 99,999 % am Anfang des Betriebs und von 99,7 % nach 1.000 Betriebsstunden nachgewiesen. Als guter Stand der Technik gilt heute ein Wert von rund 98 %. Im Vergleich dazu ist die Funktion der neuen Mischkammer im ATR 8 um mehrere Größenordungen besser.

Eine solche Langzeitstabilität bei der Reformierung eines herkömmlichen Dieselkraftstoffes stellt ein weltweites Alleinstellungsmerkmal dar. »Die Langzeitstabilität der autothermen Dieselreformer ATR 7 und ATR 8 qualifiziert das neue Konzept für den erfolgreichen Einsatz in Brennstoffzellensystemen «, sagt Professor Peters.

Erfahrungen aus dem Betrieb der Dieselreformer ATR 7 und ATR 8 spiegelten sich in Weiterentwicklungen des Konzeptes wider. Es habe sich gezeigt, dass »eine aktive Kühlung der Einspritzdüse, vor allem beim Hochheizen des Reaktors, sehr vorteilhaft ist«, berichtet Peters. Im Reaktor ATR 7 und der ersten Variante des ATR 8 wird die Düse nur durch den durchströmenden Kraftstoff gekühlt.

Ein Pulsventil erweitert den Lastbereich des Reformers

Die dem ATR 8 nachfolgenden Reformergenerationen sollen durch verbesserte Produktionstechnologien bezüglich ihres Gewichtes optimiert werden. »Dies führt zu besseren Volumen- und massenspezifischen Leistungsdichten der Reaktoren. Durch die Integration eines Pulsventils wird der Lastbereich des Reformers deutlich erweitert«, erläutert Experte Peters.

Der Abteilungsleiter nennt als weitere Projektschritte neben der Nutzung von Biokraftstoffen der 2. Generation (Kerosin aus Ganzpflanzennutzung), die Übertragung der Apparatetechnik in die Industrie sowie die Systemkopplung mit Hochtemperatur-PEFC. Er kann sich vorstellen, dass ein marktfähiges Produkt im Zeitraum 2015 bis 2020 zur Verfügung steht, wobei er den Zeitpunkt hier eher auf 2020 taxiert.

Als potenzielle Einsatzgebiete gelten der Flugzeug- oder der Schiffsverkehr. »Der Einsatz im Schiff kommt nur, wenn Industrie und Forschung das Thema anpacken«, hat Professor Peters ausgemacht. Beim Flugzeug sei dies bereits der Fall. Aber das Einsatzgebiet scheint nicht begrenzt. »Vielleicht holen am Ende andere Anwendungen auf«, spekuliert Peters. (mn)

Erschienen in Ausgabe: 03/2008