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Der Reformgasmotor im Versuchsbetrieb auf dem Prüfstand der ECC Automotive: Links ist der Motor zu sehen, daran sitzt der Reformer, rechts davon der Dampferzeuger. Bild: OWI Oel-Waerme-Institut GmbH
Blockheizkraftwerk

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Gasreformierung steigert elektrischen Wirkungsgrad

Forscher vom OWI Oel-Waerme-Institut haben einen Reformer entwickelt, der den Wirkungsgrad von Blockheizkraftwerken erheblich erhöht. Durch eine integrierte Abgasnachbehandlung im Reformer lassen sich zudem umweltschädliche Emissionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, wie Formaldehyd und Methan, deutlich reduzieren.

Forscher haben einen für ein mobiles Brennstoffzellensystem konzipierten Reformer weiterentwickelt. Der neue Reformer steigert den Systemwirkungsgrad von Blockheizkraftwerken mit Gasmotor. Er nutzt die Abwärme des Motors, um aus Erdgas und Wasserdampf ein energetisch höherwertiges Brenngas zu erzeugen. Dieses Gemisch aus Wasserstoff, Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid wird direkt in den Motor geleitet. Der höhere Brennwert des Gases und der verbesserte Motorwirkungsgrad steigern den Gesamtwirkungsgrad des Blockheizkraftwerks. Das neue Dampfreformierungsverfahren basiert auf Ergebnissen des Forschungsprojekts MÖWE III, bei dem es darum ging, aus Diesel ein geeignetes Brenngas für mobile Brennstoffzellen herzustellen. Die Reformertechnik lässt sich aber auch dafür nutzen, den elektrischen Gesamtwirkungsgrad von erdgasbetriebenen Blockheizkraftwerken (BHKW) zu verbessern.

Die Forscher vom OWI Oel-Waerme-Institut und von ECC Automotive passten alle Komponenten vom Motor bis zum Reformer an die veränderten Anforderungen an. In einer Versuchsanlage erprobten sie das für BHKW bis 50 kWel (Kilowatt elektrisch) ausgelegte System aus Gasmotor und Dampfreformer. Das Gesamtsystem besteht aus einem Erdgas-Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung mit einer elektrischen Leistung von 20 bis zu 40 Kilowatt, einem Dampfreformer mit einem katalytisch beschichteten Plattenwärmetauscher samt Nebenaggregaten. Die Entwickler überarbeiteten den Motor, um eine möglichst hohe Abgastemperatur für die Reformierung zu erreichen und legten die Anlage für einen Hochtemperaturbetrieb oberhalb von 600 bis maximal 900 Grad Celsius aus. Ein neu entwickeltes Saugrohr ermöglicht, den Motor mit den energiereicheren hoch wasserstoffhaltigen Brenngasen zu betreiben. Damit es nicht zu einem Flammrückschlag ins Saugrohr kommen kann, leiten getrennte Zuleitungen zeitversetzt reine Luft und ein Gemisch aus Luft und wasserstoffreichem Reformgas in die Brennräume des Motors.

Der Dampfreformer nutzt die thermische Energie des Abgases direkt für die Reformierung und Verdampfung. Dadurch konnten mehr als zehn Prozent der im Brennstoff enthaltenen Energie im System zurückgewonnen werden. Die Forscher gehen davon aus, dass ein solches BHKW durch die höhere erzeugte Strommenge bei Netzeinspeisung wirtschaftlicher betrieben werden kann. Durch eine integrierte Abgasnachbehandlung im Reformer lassen sich außerdem umweltschädliche Emissionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, wie Formaldehyd und Methan, deutlich reduzieren.

Die neue Reformertechnologie nutzt die Ergebnisse des 2015 abgeschlossenen Verbundprojekts MÖWE III, in dem Dampfreformer für Dieselkraftstoff für ein modulares Brennstoffzellensystem entwickelt wurde, das als Auxiliary Power Unit (APU) beispielsweise Wohnmobile oder Boote mit elektrischer Energie versorgt. Ein Schwerpunkt der Weiterentwicklung für die Anwendung am Reformgasmotor war die Reduzierung der Druckverluste bei Durchströmung des Reformers. Diese konnten durch eine geeignete Auslegung – trotz der Verwendung mikrostrukturierter Wärmeübertrager – sehr klein gehalten werden, sodass die zusätzlich aufzuwendende Ladungswechselarbeit kaum noch ins Gewicht fällt. Ein kompakter, mikrostrukturierter Plattenwärmeübertrager minimiert die Wärmeverluste des Systems. Dieser Aufbau gewährleistet eine große Katalysatorfläche sowie einen intensiven Wärmeübergang zwischen dem Abgas und dem Reformgas.

Durch den Einsatz des Reformers steigt die elektrische Leistung, die thermische Leistung sinkt, da die erforderliche Energie dem Abgas entzogen wird. Die verminderte Wärmeproduktion zugunsten der Stromproduktion bietet besondere Vorteile für den Sommerbetrieb. In der Summe lässt sich die Jahresbetriebszeit eines BHKW und somit die Stromproduktion steigern. Die Auslastung verbessert sich. Für einen wärmeoptimierten Betrieb im Winter kann der integrierte Reformer ausgeschaltet werden.

Versuchsläufe am OWI zeigen, dass die Rekuperationsgrade des Systems bei höheren Betriebstemperaturen steigen. Bei Temperaturen bis 900 Grad Celsius können bis zu 15 Prozent des Brennstoffheizwertes im Reformer chemisch rekuperiert werden; bei etwa 800 Grad Celsius sind noch über zehn Prozent möglich. Verglichen mit einem reinen Methangasbetrieb steigt der Systemwirkungsgrad um bis zu 13 Prozent – dieser Wert ist höher als der Rekuperationsgrad: Der Motorwirkungsgrad wurde verbessert. Wahrscheinliche Ursache ist die schnellere und stabilere Verbrennung des wasserstoffhaltigen Brenngases. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems lässt sich weiter verbessern durch höhere Motordrehzahlen und eine Aufladung durch einen Turbolader. Längerfristig planen die Forscher, die Technik auch auf mobile Anwendungsbereiche und alternative Kraftstoffe zu übertragen.

Das Projekt wurde durch das Bundesland Nordrhein-Westfalen und die Europäische Union (EU) im Rahmen des Ziel 2-Programms 2007 – 2013 des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

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