Keine Angst vorm Fliegen

Um Brennstoffzellen in die Energieversorgung eines Flugzeugs zu integrieren, entwickelten Wissenschaftler am Fraunhofer ISE einen Kerosinreformer. Der 300-Stunden-Dauerversuch ist vielversprechend, jedoch besteht beim Reaktordesign noch Optimierungsbedarf.

02. Mai 2007

Der Traum vom Fliegen erfordert in modernen Zivilflugzeugen immer mehr Strom. Neben den Triebwerken, die die Stromversorgung im Flug gewährleisten, liefert eine Gasturbine mit Generator im Heck des Flugzeuges den Strom, während es parkt. Da der Wirkungsgrad dieser APU (Auxiliary Power Unit) sehr gering ist (15 bis 20 %) und zudem die Auflagen der Flughäfen für das Betreiben der APU immer restriktiver werden, gibt es derzeit zahlreiche Projekte, um einer Brennstoffzellen(BZ)-APU näher zu kommen.

Ein solches System schließt einen Reformer ein, der Kerosin in ein wasserstoffhaltiges Produktgas umwandelt, aus dem in der Brennstoffzelle Strom erzeugt wird. Dies ist nötig, weil damit kein zusätzlicher Brennstoff, speziell für die BZ, mitgeführt werden muss.

Die Forscher des Fraunhofer- Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg planten, bauten und testeten einen solchen Kerosin-Reformer und integrierten ihn anschließend gemeinsam mit ihren Kollegen am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit einer Festelektrolytbrennstoffzelle (solid oxide fuel cell, SOFC) des Forschungszentrums Jülich. Diese Arbeiten wurden im Rahmen des von der EU geförderten Projektes ›Power Optimized Aircraft‹ (POA) durchgeführt.

Im Rahmen des Testbetriebs am DLR in Stuttgart untersuchte man das Gesamtsystem bei stationären Betriebszuständen und schnellen Laständerungen des Reformers.

Der Reformer hat eine Leistung von 1 kW (bezogen auf die elektrische Ausgangsleistung der SOFC) und umfasst den eigentlichen Reformierreaktor, der nach dem Prinzip der autothermen Reformierung (ATR) arbeitet, und einen integrierten Wärmeüberträger zur Vorheizung der Eduktströme.

Weitere Energie zur Vorheizung der Edukte stammt von einem Porenbrenner, der in der Startphase mit Kerosin und im Betrieb mit Offgas (nicht umgesetztes Brenngas aus der BZ) betrieben wird. Im normalen Betrieb reicht das Offgas mit einem Inertgasanteil von rund 80 % aus, um die nötige Wärmeenergie zur Verdampfung und Überhitzung der Eduktströme bereitzustellen.

Die Edukte Luft und Wasser werden vor dem Verdampfer gemischt, um Druckstöße bei der Verdampfung des Wassers zu vermeiden. Während des Testbetriebs der Anlage ohne SOFC am Fraunhofer ISE wurde Propan anstelle von SOFC-Offgas verbrannt. Das Kerosin wird mittels einer Zweistoffdüse in die Mischzone vor der Reformerwabe eingedüst.

Wirkungsgrade von über 80 % erreicht

Eine wichtige Größe zur Beurteilung des Betriebs von Reformern ist ihr Wirkungsgrad. Diesen bestimmten die Freiburger Fraunhofer-Forscher in Abhängigkeit von der Luft- und der Wasserzufuhr bei einer konstanten Raumgeschwindigkeit von 50.000 h-1.

Die Messungen ergaben einen maximalen Wirkungsgrad des 1-kW-Reformers von über 80 %. Bei höherem Luftverhältnis wird mehr Kerosin partiell oxidiert, was zu einem höheren Anteil von verdünnendem CO2 und N2 im Produktgas führt. Die dadurch höhere Temperatur in der Eintrittszone des Katalysators erhöht die Ausbeute an H2 und CO nicht.

In einem 300-stündigen Dauerversuch untersuchten die Wissenschaftler die Leistung des ATR-Katalysators. Der Versuch ergibt, dass die Katalysatoraktivität zu Beginn der Versuchszeit stärker, dann langsamer abnimmt. Dies ist an einem Absinken der Wasserstoffkonzentration von 35 auf 30,8 % (trockenes Gas) und an einer Zunahme der CO-Konzentration von 10,5 auf 13,6 % zu erkennen.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Versuche, dass der Katalysator allmählich degradiert, was auf Sinterprozesse im Katalysator und leichte Kohlenstoffablagerungen auf der Oberfläche zurückgeführt werden kann. Hier sind noch Verbesserungen der Mischkammer vor der Katalysatorwabe erforderlich, um eine homogene Vermischung aller Edukte zu erreichen.

Bettina Lenz, Johannes Full, Thomas Aicher

AnlagensteuerungVoll automatisiert

Die Steuerung ist mithilfe von Labview von National Instruments voll automatisiert. Die Kommunikation mit dem Messrechner erfolgt über so genannte Field-Point-Module. Um eine ausreichende Sicherheit während der Langzeitversuche zu gewährleisten, verfügt die Anlage über eine Softwareüberwachung bzw. -abschaltung und auch über eine Hardwareüberwachung. Diese überwacht im Falle eines Softwarefehlers Eingangsgrößen wie Füllstände der Behälter, Druck und Temperatur im Reaktor und der Eduktstränge und löst ein geregeltes Herunterfahren aus. Zur Untersuchung des Langzeitverhaltens der autothermen Reformierung von Kerosin Jet A-1 wurde ein Teststand für einen 1-kW-Reformer aufgebaut.

Erschienen in Ausgabe: 01/2007