Untersuchung der katalytischen Teerreformierung für eine effiziente Verstromung von druckaufgeladenem Rohgas aus der Holzvergasung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein innovatives Konzept vorgestellt, das es ermöglicht, Biomasse bzw. Holz dezentral mit einem sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad zu verstromen. Das Konzept umfasst die Kombination einer Biomassevergasung mit Verstromung des Produktgases in einem Hybridkraftwerk bestehend aus SOFC und Mikrogasturbine bei 5 bar. Im Produktgas befinden sich jedoch unerwünschte Teere, welche vor der Verstromung in der SOFC entfernt werden müssen. Diese werden daher mit Hilfe des Wasserdampfes im Gas am Nickelkatalysator reformiert. Wird der Teerreformer bei üblichen Temperaturen von 900°C betrieben, so ist ein hoher Energieeintrag notwendig, was hauptsächlich an der parasitären, endothermen Wasserdampfreformierung von Methan liegt. Ist es jedoch möglich den Teerreformer bei 600°C bis 700°C zu betreiben, so sinkt der benötigte Wärmeeintrag, da das chem. Gleichgewicht der Methanreformierung auf die Seite der Edukte verschoben wird und somit weniger Methan umgesetzt wird. Um die Frage nach der Realisierbarkeit der Teerreformierung in diesem Temperaturbereich zu beantworten und die zu erwartenden Methankonzentrationen am Auslass des Reformers zu berechnen, wurde ein Teerreformermodell erstellt. In dieses Modell werden die Reaktionskinetiken der Teerreformierung sowie der Methanreformierung implementiert, welche am eigens für diese Arbeit entwickelten Laborteststand ermittelt wurden. Bei der Untersuchung der Reformierung des Modellteers Naphthalin wurde festgestellt, dass der Nickelkatalysator zwar aufgrund von Verkokung deaktiviert, sich jedoch ein stationärer Zustand nach einer gewissen Versuchszeit einstellt. Für diesen stationären Zustand konnte ein hyperbolischer Geschwindigkeitsansatz der Naphthalinreformierung hergeleitet werden, der die Deaktivierung mitberücksichtigt. Die zugehörigen Parameter konnten für 650°C und 700°C experimentell bestimmt werden. Ergebnis der Arbeit ist, dass eine Teerreformierung im Temperaturbereich zwischen 650°C und 700°C möglich ist und die Konzentrationen der einzelnen Komponenten am Auslass des Teerreformers mit dem Gibbs-Gleichgewicht berechnet werden können. Aufgrund des reduzierten Methanumsatzes kann im Falle der Teerreformierung bei 650°C der benötigte Enthalpiestrom an Brenngas, der für den Teerreformer benötigt wird, von 1,78 MW (im Referenzfall 900°C) auf 0,86 MW reduziert werden. Dadurch steigt der elektrische Wirkungsgrad des Gesamtkonzepts (bezogen auf das Rohgas der Vergasung) von 58,6% auf 61,5%.