Virtuelle, Mikroplant-gestützte Prozessentwicklung am Beispiel eines Mikro-Dampfreformers

Abstract

Die virtuelle Prozessentwicklung ist eine simulationsgestutzte Auslegungsmethodik. Sie basiert auf Mehr-Skalen-Simulationen. So wird der Prozess als Ganzes, sowie der einzelne Apparat im Detail konstruiert, modelliert und berechnet. Durch die Wechselwirkung der beiden Ebene steigt das Prozessverstandnis und Ruckkopplungseffekte konnen fruhzeitig erkannt werden. \nIn dieser Arbeit wird die virtuelle Verfahrensentwicklung angewendet, um eine dezentrale, hocheffiziente Kleinst-Kraft-Warme-Kopplungsanlage zu projektieren. Die Motivation liegt in der Reduktion des Kohlenstoff-Fusabdruckes durch bedarfsgerechte Stromproduktion mit maximierter Brennstoffausnutzung durch den Einsatz effizienter Energiewandlungstechnologie, sowie der Nutzung der Abwarme zur anteiligen Deckung des Heizbedarfs. \nAuf der Funktionsebene werden zunachst notwendige Operationen identifiziert, um Methan uber eine Brennstoffzelle in elektrische Energie zu wandeln. Hierauf aufbauend werden auf der Prozessebene unterschiedliche Varianten der Anlage konzipiert und modelliert. Fur jede Prozessvariante werden Verfahrensfliesbild und Warmeubertragernetzwerk erstellt und eine Exergie-Analyse durchgefuhrt. Die Ergebnisse der Prozessebene werden als Exergie-Sankey-Diagramme dargestellt. Sensitivitatsanalysen werden unterstutzend eingesetzt, um den Einfluss von Prozessparametern auf den gesamt-exergetischen Wirkungsgrad zu untersuchen. \nSchlieslich liefert die Prozesssimulation auch das Anforderungsprofil der einzelnen Prozessschritte und somit die Grundlage der Apparate-Dimensionierung. Auf der Bauartebene werden raumlich und zeitlich aufgeloste Simulationen der chemischen Reaktionen in durchstromten Mikroreaktoren erstellt. Von besonderem Interesse ist dabei der Warmeubergang von einer exothermen Reaktion als Warmequelle auf eine endotherme Reaktion als Senke. Verbesserungen im Vergleich zu konventionellen Mikroreaktoren im Platten-Design wurden durch eine Mikro-Rohrbundel-Losung erreicht. Diese sorgt fur einen gleichmasigen radialen Warmedurchgang und schrankt dabei gleichzeitig den axialen Warmeverlust ein. Wie bei konventionellen Mikroreaktoren wird auch hier der geringe Wirksamkeitsfaktor des Katalysators deutlich gesteigert. Bei der in dieser Arbeit entwickelten Losung wird allerdings viel weniger Reaktormaterial eingesetzt. Durch die geringe (thermische) Masse werden nicht nur Regelbarkeit und Kaltstartverhalten verbessert, sondern auch die Materialkosten gesenkt. \nAuf der Prozess- sowie der Bauartebene wurden mehrere Verbesserungspotentiale identifiziert und patentrechtlich geschutzt. So wurden beispielsweise rekuperative Hochtemperatur-Warmeubertrager in die Mikroreaktorstruktur integriert. \nUm die stromungsdynamischen Simulationen zu validieren, wird ein Versuchsaufbau konstruiert und gefertigt. Dieser besteht aus einem Ein-Kanal-Mikroreaktor, dessen Katalysator-Beschichtung leicht zu wechseln ist (Mikroplant). Die Oxidation von Methan und Wasserstoff, sowie die Reformierung von Methan wird an Edelmetallen, wie Platin und Palladium, und Nickel untersucht und die Machbarkeit so prinzipiell gezeigt. \nErste Prototypen wurden durch selektives Laserschmelzen gefertigt und eine Kostenschatzung erstellt.