GREEN-FC - Energetische Nutzung von Biomasse mit Brennstoffzellentechnologie - Entwicklung einer Brennstoffzellenanlage zur Nutzung von Biogas und Bioethanol

Motivation
Die Deckung des jährlich um ca. 2 % steigenden Energiebedarfs durch fossile Rohstoffe ist nicht nachhaltig. Alternativ kann Bioenergie aus Biomasse, deren Schwerpunkt aktuell u.a. in der Produktion, Konversion und Nutzung von Biogas liegt, eingesetzt werden. Stand der Technik ist die Umwandlung der chemischen Energie in thermische und elektrische Energie (z.B. Kraft-Wärme-Kopplung) bzw. die Konditionierung zu separaten Gasbestandteilen (z.B. Methan als Erdgassubstitut).
Innovativ ist die Konversion des Biogases in Wasserstoff, der aktuell z.B. für das Haber-Bosch-Verfahren als auch zur Speisung von Brennstoffzellen etc. verwendet wird. Etwa 60 % des Weltjahresbedarfs an Wasserstoff von 500 Mrd. m³ werden durch die Reformierung fossiler Rohstoffe bereitgestellt, 40% fallen als Nebenprodukte von Industrieprozessen an. Eine Substitution durch die auf Reformierung basierende Biogaskonversion ist wichtiger Bestandteil des Wasserstoffinfrastrukturaufbaus und der Etablierung vielfältiger Nutzungstechnologien.

Projektinhalt
Im Projekt Green-FC wurde ein modularer Prototyp (5 kWth) für die Biogasumwandlung in Wasserstoff entwickelt, der in fünf Module gegliedert ist: I Gaszufuhr (Biogase, Synthetische Gase), II Gasreinigung (Doppelkartuschen-Aktivkohlefilter zur Schwefelwasserstoff- und Siloxan-Abscheidung), III Gasreformierung (Dampfreformierung, Wassergas-Shift-Reaktion), IV Gasnutzung (HTPEMFC) und V Nachverbrennung (Nachbrenner als Wärmelieferant).
Die Apparaturen wurden mittels CAD-Software konstruiert und mit einer CFD-Software simuliert. Für die Simulation der Gasreformierung (III), bestehend aus Partieller Oxidation, Wasserdampfreformierung und Wasser-Gas-Shift-Reaktion, wurde das Eddy-Dissipiation-Modell und Reaktionskinetiken nach De Smet et al., Numaguchi & Kikuchi und Hla et. al. verwendet.

Ergebnisse
Es ergaben sich Kohlenstoffmonoxidanteile unterhalb des HTPEMFC-Grenzwertes (<3%) und Vollumsatz von Methan bei maximaler Wasserstoffausbeute. Zudem liegen Konstruktionsunterlagen sowie MSR- und Wärmenutzungskonzept vor.

Weiteres Vorgehen
Der Austausch einzelner Modulkomponenten ist vorgesehen, sodass neben den aufgezeigten Anlagenbestandteilen auch alternative Reaktoren zur Biogasumsetzung und weitere Nutzungskonzepte untersucht werden können.