An investigation of hydrogen generation via steam reforming of liquid fuels

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Dampfreformierung von Biodiesel, Diesel und Bioethanol experimentell und theoretisch untersucht. Flüssige Brennstoffe zeichnen sich durch eine hohe volumetrische und gravimetrische Energiedichte und eine bereits vorhandene Verteilungsinfrastruktur aus. Die dezentrale Wasserstofferzeugung aus Flüssigbrennstoffen durch Reformierung kann mit dazu beitragen, die Marktdurchdringung von Brennstoffzellenfahrzeugen zu beschleunigen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen im industriellen Sektor, etwa für metallurgische Prozesse oder für die Herstellung von Flachglas. Im Rahmen der experimentellen Arbeiten wurde ein vertieftes Verständnis der Katalysatordeaktivierung erzielt. Insbesondere wurden geeignete Betriebsbedingungen ermittelt, um die initiale Kohlenstoffbildung auf der Katalysatoroberfläche zu verhindern. Geringe Temperaturen und hohe Brennstoffmassenströme begünstigen eine Katalysatordeaktivierung durch Verkokung. Die Kohlenstoffbildungsneigung nimmt in der Reihenfolge Bioethanol < Biodiesel < Diesel zu. Durch entsprechende Wahl der Katalysatoreintrittstemperatur und des Brennstoffmassenstromes wurde für die jeweiligen Flüssigbrennstoffe ein stabiler Versuchsbetrieb (100 Stunden) nahe am chemischen Gleichgewicht nachgewiesen. Im Falle von fossilem Diesel hat sich gezeigt, dass die Langzeitstabilität der Dampfreformierung durch eine vorhergehende Entschwefelung des Kraftstoffs weiter verbessert werden kann. Die experimentellen Arbeiten werden ergänzt durch eine Simulationsstudie. Ziel der Untersuchung ist die verfahrenstechnische Optimierung einer Wasserstofferzeugungseinheit aus Biodiesel (50 Nm3/h H2) bestehend aus den Komponenten Dampfreformierung, Wassergasshift-Stufe, Druckwechseladsorption und Gas-Flüssig-Brenner. Neben einem positiven Druckeinfluss zeigen die Ergebnisse ein Optimum des molaren Dampf:Kohlenstoff-Verhältnisses bei 2,78. Aufbauend auf einem verfahrenstechnisch optimierten System wird ein wärmeintegrierter Wasserstoffgenerator entwickelt mit einem thermischen Systemwirkungsgrad von 75,6 % (bezogen auf den unteren Heizwert).