Exergetische Analyse reaktiver Systeme bei der multifunktionalen Stoff- und Energiewandlung

Im Rahmen des Projektes werden Pfade in motorischen Prozessen thermodynamisch analysiert, die neben der Abgabe von Wärme und Arbeit auch zur Produktion von Grundchemikalien führen, sogenannte Polygeneration-Prozesse. Anhand der theoretisch berechneten Exergieverluste werden einheitliche thermodynamische Bewertungen möglicher alternativer Konzepte der Prozessführung brennstoffreicher motorischer Vorgänge vorgenommen. Hinzu kommt die exergetische und energetische Analyse der experimentellen motorischen Projekte innerhalb der Forschergruppe, die eine Überprüfung der Modellbildung ermöglicht. Als Brennstoff wird zunächst Methan mit verschiedenen Zusatzstoffen analysiert, als chemische Produkte wird neben Synthesegas auch die Bildung längerer Kohlenstoffketten (ab C₂) untersucht. Die Berechnungen erfolgen einerseits für komplexe Gleichgewichte und andererseits im Verlauf des Projektes anhand von prädiktiven Elementarreaktionsmechanismen. Außerdem werden die thermodynamischen Analysen um ökonomische Betrachtungen, der so genannten Exergoökonomie, ergänzt, um Aufschlüsse über die Wirtschaftlichkeit dieses Polygenerationkonzeptes zu gewinnen.

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Die brennstoffreiche partielle Oxidation von Methan führt zu hohen Synthesegasausbeuten (CO + H2) im HCCI-Motormodell.
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Die Ergebnisse zeigen, dass reaktive Additive wie Dimethylether, Diethylether und n-Heptan notwendig sind, um die erforderlichen Temperaturen im Einlass des Motors auf ein praxistaugliches Niveau zu senken [1,2]. Allerdings wird hierbei ein großer Teil der Exergie für den Prozess durch die Additive eingebracht. Eine derzeit untersuchte, vielversprechende Alternative ist Ozon, welches direkt aus der Umgebungsluft erzeugt werden kann. Da Ozon bereits bei niedrigen Temperaturen (200°C) zerfällt, werden deutlich geringere Mengen benötigt, um den gleichen Effekt wie die auf Kohlenwasserstoffen basierenden Additive zu erzielen (0,1 vol-% gegenüber bis zu 15 vol-%). Der Ozonzerfall führt zu einer früheren Bildung von Radikalen, die wiederum zu einem früheren und stärkeren Umsatz des Brennstoffs führen.

Der exergetische Wirkungsgrad des motorischen Prozesses erreicht bis zu 81% [2]. Werden die notwendigen Trennverfahren berücksichtigt, so werden noch 60% erreicht [3]. Der exergetische Wirkungsgrad ist dann vergleichbar mit dem des konventionellen Herstellungsprozesses (Dampfreformierung), bietet aber einen etwa 17%-Punkte größeren Wirkungsgrad als die Kraft-Wärme-Kopplung. Darüber hinaus lässt sich das System flexibel und schnell auf einen geänderten Bedarf an Arbeit oder Chemikalien anpassen.

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Beispiel eines Prozessflussdiagramms, welches für die exergoökonomischen Analysen verwendet wird.
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Die Kosten für die Wasserstoffproduktion liegen bei einer mittelgroßen Anlage (Motor: 22,6 Liter Hubvolumen) bei etwa 2 €/kg_H2. Im Vergleich mit größer skalierten, konventionellen Wasserstofferzeugungsanlagen (Dampfreformierung) ist dieses Polygenerationkonzept wettbewerbsfähig und kann in Zukunft einen wichtigen Baustein für die sichere und effiziente Energie- und Rohstoffversorgung darstellen.

Referenzen:

[1]    K. Banke, R. Hegner, D. Schröder, C. Schulz, B. Atakan, S.A. Kaiser, Power and syngas production from partial oxidation of fuel-rich methane/DME mixtures in an HCCI engine, Fuel 243 (2019) 97–103. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.01.076.

[2]    S. Wiemann, R. Hegner, B. Atakan, C. Schulz, S.A. Kaiser, Combined production of power and syngas in an internal combustion engine – Experiments and simulations in SI and HCCI mode, Fuel 215 (2018) 40–45. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.11.002.

[3]    D. Schröder, R. Hegner, A. Güngör, B. Atakan, Exergoeconomic analysis of an HCCI engine polygeneration process, Energy Conversion and Management 203 (2020) 112085. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.112085.