Entwicklung eines thermochemischen Rekuperators

Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von BHKW-Anlagen

Kurzbeschreibung

Die fortschreitende Verbesserung der Gebäudeisolation führt dazu, dass weniger Wärme in Gebäuden benötigt wird. Zudem gibt es einen Trend zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Strom, beispielsweise durch die zusätzliche Einbindung von Photovoltaik zu einem Wärmeerzeuger in Wohn- und Gewerbeimmobilien. Die Verringerung der Wärmeverluste der Gebäude und die damit einhergehenden Verringerung des Wärmebedarfes der Gebäude verlagert den Bedarf hin zu mehr Strom auf der Seite der gekoppelten Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie. Allerdings unterliegt die Wandlung von Energie aus Wind und Sonne starken Schwankungen.

Blockheizkraftwerke (BHKW) erzeugen dagegen Wärme und regelbaren Strom unabhängig von Tageszeit und Wetter, wodurch sie die Residuallast der zunehmend volatilen Stromversorgung gering halten können und somit eine netzdienliche Betriebsweise schon bei konventionellen BHKW-Konfigurationen aufweisen.

BHKW’s müssen allerdings auch in der wärmeren Jahreszeit die erzeugte Wärme abgeben, da die Wärme- und Stromerzeugung aneinander gekoppelt sind. Weil der Wärmebedarf tendenziell rückläufig und in der warmen Jahreszeit gering ist, ist das Ziel, den Anteil der Stromerzeugung von BHKW´s zu erhöhen. Die Anhebung der Stromkennzahl ermöglicht einen wirtschaftlicheren Betrieb von BHKW´s. Um die Gesamteffizienz von BHKW´s und damit die Wirtschaftlichkeit zu steigern, wird in diesem Forschungsvorhaben ein thermochemischer Rekuperator in das Motorsystem integriert. Durch die Nachrüstung eines BHKW’s mit einem thermochemischen Rekuperator wird der Betriebsbereich des BHKWs erweitert, da die Stromkennzahl über die variable Rekuperation der Abgaswärme in einem größeren Bereich eingestellt werden kann.

Ziele des Projekts

Das Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines hocheffizienten BHKW’s durch die Integration eines thermochemischen Rekuperators. Die Basis bildet ein BHKW der MOVE GmbH mit 50 kW elektrischer Leistung, in das zur thermochemischen Rekuperation ein Heat-Power-Converter (HPC) integriert wird. In diesem Aggregat wird Erdgas mit Wasser vermischt und unter Nutzung von Wärme aus dem Motorabgas zu Wasserstoff konvertiert. Das in diesem Prozess erzeugte Synthesegas-Gas wird in den Motor als Brenngas eingeleitet. Das Synthese-Gas ist mit Wasserstoff angereichert und enthält bis zu 18 Prozent mehr chemisch gebundene Energie im Vergleich zu der primär eingesetzten Menge Erdgas. Das Potenzial zur Einsparung des Brenngases sowie die damit verbundene Einsparung von Kohlendioxid entsprechen in etwa der gleichen Größenordnung.

Die geplante Systemintegration sieht eine Platzierung des thermochemischen Rekuperators abgasseitig so nahe wie möglich am Motor vor. Dabei soll der HPC in den Abgaskrümmer integriert werden. In diesem Prozess werden Wärmeverluste reduziert, so dass die Menge der konvertierten thermischen Energie maximiert wird. Dadurch ergibt sich eine maximale Einsparung des Primärbrennstoffes Erdgas. Der HPC soll als zusätzliches Aggregat zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades in Zusammenwirkung mit dem BHKW zu einem serienreifen Industrieprodukt entwickelt werden. Diese Innovation führt über eine Effizienzsteigerung der KWK-Technologie zu einer deutlichen Verminderung der Kohlenstoffdioxidemission.

Arbeitsaufgaben OWI

• Berechnungen zum thermochemischen Gleichgewicht unter den gegebenen Randbedingungen.
• Entwicklung eines Simulationsmodells, das die funktionalen Zusammenhänge der thermochemischen Rekuperation beinhaltet.
• Auslegung des Gemischbildungsraums und der Reaktionszone des HPC mit Hilfe von CFD-Simulation.
• Planung, Bau und Betrieb eines Teststands für die Einzelkomponente HPC.
• Untersuchung des Inaktivierungsgrads bzw. der Standzeit der im Projekt verwendeten Katalysatoren unter Einfluss von für Erdgas typischen Schwefelverbindungen.
• Begleitung des Aufbaus des HPC im Gesamtsystem und des Betriebs des Gesamtsystems mit synthetischem HPC-Gas.

Durchführende Forschungsstellen

• Groschopp AG
• MOVE Services GmbH
• OWI Science for Fuels gGmbH

Projektförderung

Das Forschungsprojekt wird gefördert mit Zuwendungen des Landes Nordrhein-Westfalen unter Einsatz von Mitteln aus dem europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) „Investition in Wachstum und Beschäftigung“.

Projektlaufzeit

11/ 2019 bis 10/ 2022

Ansprechpartner

M.Sc. Sergej Warkentin
Tel.: 02407/ 9518-134
E-Mail: S.Warkentin@owi-aachen.de