View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

7 Zusammenfassung und Ausblick
ben in Ergänzung zu den mit Luft durchgeführten Experimenten auch Aussagen über das Leistungsvermögen
des Verdampfers für einen Betrieb mit Erdgas.
Zur Beschreibung der Methan-Dampfreformierung im Reformer wird eine Niedertemperaturkinetik
verwendet. Messungen und Simulationen zeigen deutliche Abweichungen des Methanumsatzes
von der thermodynamischen Gleichgewichtszusammensetzung für Temperaturen unterhalb
von 450 oe in der Reformierungszone. Bisherige Messungen beschränken sich mit wenigen
Ausnahmen auf den Umsatz von Methan als Brenngas. Durch die Simulationen können die
bestehenden Erkenntnisse auch auf Erdgas als Brennstoff erweitert werden. Danach reichen
bei einem beheizten Reformer rund 15 % des Abgasstromes aus dem Nachbrenner aus, um ein
Viertel des zugeführten Brenngases vorzureformieren. Zusätzlich werden Simulationsergebnisse
für den bisher nicht untersuchten Betriebsfall eines unbeheizten Reformers angegeben.
Das Nachbrennermodell beruht auf Erkenntnissen aus reaktionskinetischen Untersuchungen,
nach denen bei den vorliegenden Randbedingungen ein vollständiger Umsatz des Brenngases
angenommen werden darf. Gleichzeitig lässt sich abschätzen, dass der zu erwartende Schadstoffausstoß
des Nachbrenners unterhalb der zulässigen Grenzwerte liegt. Bei typischen Zusammensetzungen
des Anodenabgases muss ferner das Zehnfache der für eine stöchiometrische
Verbrennung benötigten Luftmenge bereitgestellt werden, um im Nachbrenner die maximal
zulässige Materialtemperatur von 950 oe nicht zu überschreiten.
Anhand eines quasi-stationären Modells wird ein Ejektor ausgelegt, der für den Betrieb in einem
SO Fe-System mit Anodenabgasrezyklierung geeignet ist. Wie eine Sensitivitätsanalyse zeigt,
hängt die Ejektorleistung besonders von den Eigenschaften der Mischstrecke und des Diffusors
ab. Ein Vergleich der Druckverlustkennlinie des Anodengaskreislaufes und der Betriebscharakteristik
des Ejektors verdeutlicht, dass Treibstrahlvordrücke von 3 bar im Nennlastzustand und
von 2 bar bei Teillastbetrieb erforderlich sind, um die Gasrezyklierung aufrecht zu erhalten.
Die validierten Komponentenmodelle bilden die Grundlage für die dynamischen Systemsimulationen
in Kapitel 6. Besonders ausführlich wird als Basiskonfiguration die der geplanten 20 kW
Anlage entsprechende Prozessvariante untersucht. In diesem Fall findet keine Gasrezyklierung
statt, so dass über einen Verdampfer fortlaufend Wasserdampf für die Reformierungsreaktion
bereitgestellt werden muss. Die Analyse des Anlagenverhaltens umfasst einen gesamten Betriebszyklus
vom Aufheizen der Komponenten, dem eigentlichen elektrochemischen Anfahren
der SOFe in den Nennlastzustand, der Berechnung von Lastwechseln bis hin zum Stand-by­
Betrieb und dem Abkühlen des Systems.
Anhand von Simulationen des Aufheizverhaltens der Anlage wird beurteilt, mit welcher Betriebsstrategie
sich der Aufheizprozess besonders schnell und mit dem geringsten Energieaufwand
realisieren lässt. Um zu große thermomechanische Belastungen der SOFe zu vermeiden, wird
dafür lediglich eine indirekte Beheizung der SO Fe über einen heißen Gasstrom betrachtet.
Nach den Berechnungen ist der Betriebsfall einer rein elektrischen Beheizung der Systemkomponenten
energetisch gesehen am günstigsten. Diese Aufheizvariante erfordert jedoch, dass
mehrere Komponenten über elektrische Heizelemente beheizt werden, was den apparativen
Aufwand erhöht. Wird das System dagegen ausschließlich über Verbrennungswärme aufgewärmt,
geht über den Abgasstrom ein großer Teil der zugeführten Wärme verloren. Zudem ist
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