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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Alternative Brennstoffe
Aufgrund der gestiegenen Brennstoffkosten für die fossilen Energieträger wie Heizöl und Erdgas werden alternative Brennstoffe zunehmend wirtschaftlich interessanter. Eine Alternative sind Brennstoffe, die aus Biomasse, d.h. Pflanzen gewonnen werden. Solche alternative Brennstoffe, also Ersatzbrennstoffe werden in vorhandenen oder neuen Verbrennungsanlagen eingesetzt.

Zur Verbrennung mit Energieausbeute eignen sich Brennstoffe, die einen Mindestheizwert besitzen und somit eigenständig verbrennen. Die optimale Zusammenstellung von Brennstoffen und Verbrennungstechniken ist also die Grundvoraussetzung für eine wirkungsvolle und umweltschonende Energieausbeute.

Besonders interresant ist dabei die Möglichkeit durch den Einsatz nachwachsender (sog. Biokraftstoffe) ohne direkte Beeinflussung der globalen CO2-Bilanz Energie zu gewinnen.

 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts werden folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Innovative large-scale energy STOragE technologies AND Power-to-Gas concepts after Optimisation
(STOREandGO)

Im “STORE&GO” Projekt werden drei innovative "Power to Gas" (PtG) Speicherkonzepte an Standorten in Deutschland, Schweiz und Italien demonstriert um technische, ökonomische, soziale und gesetzliche Beschränkungen für deren Einsatz zu überwinden. Diese Vorführanlagen werden den Weg für eine Integration des PtG-Specherkonzepts in flexible Energieversorgungs- und -verteilungssysteme mit einem hohen Anteil regenerativer Energien ebnen. Durch die Verwendung des Methanisierungsprozesses als Brückentechnologie wird im Projekt dargestellt und erforscht auf welche Art diese innovativen PtG-Konzepte dazu in der Lage sind die Hauptproblematiken erneuerbarer Energiequellen zu lösen: Fluktuierende Erzeugung erneuerbarer Energien; Die Berücksichtigung erneuerbarer Energien in suboptimalen Verteilernetzen; Kosten; Fehlende Speicherlösungen für erneuerbare Energie auf lokaler, nationaler und europäischer Ebene. Gleichzeitig werden PtG-Konzepte zur Bereitstellung von Erdgas oder SNG in der existierenden, sehr großen europäischen Infrastruktur beitragen und den bereits vorteilhaften und kontinuierlich verringerten ökologischen Fußabdruck als primärem/sekundärem Energieträger verbessern. Daher wird SORE&GO zeigen, dass PtG-Konzepte die Lücken, die mit erneuerbaren Energien und deren sicherer Bereitstellung verknüpft sind, überbrücken können. STORE&GO wird die Akzeptanz erneuerbarer Energietechnologien durch die Demonstration der Brückentechnologie an drei "lebenden" Standorten in Europa erhöhen.

 


Renewable Power Generation by Solar Particle Receiver Driven Sulphur Storage Cycle
(PEGASUS)
In PEGASUS wird ein neues Verfahren für die Elektrizitätserzeugung auf Basis erneuerbarer Energie untersucht. Dieses Verfahren kombiniert die Technologie des konzentrierenden Energieeintrags aus Sonnenenergie durch einen Kollektor auf Basis einer Partikelzentrifuge mit einem Energiespeichersystem auf Schwefelbasis. Der vorgeschlagene Prozess verbindet strömende Partikel als Wärmeübertragermedium, die zusätzlich als direktes thermisches Speichermedium verwendet werden können, mit der indirekten thermochemischen Speicherung von Sonnenenergie in festem Schwefel. Dadurch wird die Einbindung eines Sonnenkraftwerks als regenerativer Stromerzeuger im 24-Stunden Betrieb ermöglicht.

Prozessschema des solaren Schwefelkreisprozesses / Bildquelle: DLR

Das übergeordnete Ziel von PEGASUS ist die Entwicklung und Demonstration eines innovativen Sonnenturm Systems das auf einem Kollektor mit festen Partikeln basiert in Kombination mit einem thermochemischen Speichersystem für Sonnenenergie auf Grundlage von elementarem Schwefel.  So soll eine verlässliche Stromerzeugung bei signifikanter Kostenreduktion im Vergleich zu aktuellen Konzepten ermöglicht werden. Die Technologie wird unter realen Bedingungen im Sonnenturm Jülich (STJ) in Deutschland erprobt.
Dazu müssen vom KIT die folgenden projektspezifischen technischen Ziele erreicht werden:  
  • Die Entwicklung und Realisierung eines neuen Schwefelbrenners im Laboratoriumsmaßstab, der es ermöglicht in einem Bereich von 10-50 kW stabile Verbrennungsbedingungen mit > 99% Verbrennungswirkungsgrad und Leistungsdichten von > 1,5 MW/m3 (Dies entspricht einem Wert, der dreimal höher ist als bei konventionellen Schwefelverbrennungsanlagen) unter atmosphärischen Bedingungen und Temperaturen >1400°C .
  • In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wird die Durchführbarkeit des Gesamtprozesses demonstriert, das detaillierte Gesamtfließschema erstellt und eine Analyse des optimierten, integrierten Prozesses, der auf 5MWth skaliert ist, durchgeführt. Dabei wird auch eine Bewertung der Technologie gegenüber der Zielstellung durchgeführt.

Weitere Informationen sind in einer Pressemitteilung des KIT erläutert und an der Internetseite des Projekts (Link unten).


Methanmotoren für Personenkraftwagen
(MetCar)
Heutige Erdgasmotoren für PKW basieren auf Benzinmotoren und sind nicht konsequent für die Methanverbrennung optimiert. Mit seiner hohen Klopffestigkeit bietet bereits Erdgas gegenüber Benzin ein signifikantes Effizienzsteigerungspotenzial. Dies kann durch EE-C-Methan mit hohen Methangehalten und einer damit einhergehenden höheren Klopfresistenz (höhere Methanzahl) noch erhöht werden, da wirkungsgradsteigernde hohe Kompressionsverhältnisse bei gleichzeitig sehr hohen Aufladegraden ermöglicht werden.
Um die hohen Wirkungsgrade bei gleichbleibendem Fahr- und Verschleißverhalten zu ermöglichen, sind bei der Entwicklung eines optimierten Motors zahlreiche Teilaspekte wichtig, die umfassend im Projekt bearbeitet werden. Hierzu gehören insbesondere motortechnische Anpassungen der Spitzendruckfähigkeit, die Ladedruckerhöhung zur Vermeidung von Füllungsverlusten mit Hilfe von neuartigen Injektoren zur Gasdirekteinblasung (Methan DI) und Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, sowie ein vollvariabler Ventiltrieb. Neben den motortechnischen Entwicklungen ist auch der Einfluss der Gasbeschaffenheit von Methan, insbesondere EE-C-Methan, als Kraftstoff ein wichtiger Baustein für die Markteinführung. Hierzu wird der Einfluss der zu erwartenden Hauptkomponenten (CH4, H2) und von Spurenstoffen (schwefelhaltige Odoriermittel, Kompressorenöle) auf Komponentenverschleiß und Katalysatorwirksamkeit anhand von Teststandsversuchen untersucht.
Der dritte innovative Baustein stellen grundlegende Untersuchungen zur Vermeidung von Partikelemissionen an Methanmotoren dar. Hierbei stehen sehr kleine Partikel im Fokus.

Fortschrittliche direkte Biogas-Brennstoff Einheit für die robuste und kostensparende dezentrale Wasserstofferzeugung
(BIOROBURplus)
BioROBURplus baut auf die Ergebnisse des FCH JU BioROBUR Projektes auf (Direkter, oxidativer Biogas-Dampfreformer) um eine vorkommerzielle Brennstoffverarbeitungseinheit, die 50 mN3 (d.h. 107 kg/Tag) 99.0%-igen Wasserstoff aus verschiedenen Biogastypen (Deponie, anaerobe Verarbeitung organischer Abfälle, anaerobe Verarbeitung von Abwasserschlämmen) auf kostensparende Weise erzeugt. Die Energieeffizienz der Biogasumwandlung zu H2 wird aufgrund folgender technologischer Neuerungen 80% auf HHV-Basis übersteigen:
  • erhöhte interne Wärmerezirkulation ermöglicht die Minimierung der Luftzufuhr zum Reformer aufgrund strukturierter zellulärer Keramiken die mit stabilen und recyclebaren Edelmetallkatalysatoren, die eine erhöhte Verkokungsresistenz aufweisen, beschichtet sind.
  • eine angepasste Druck-Temperatur Swing Adsorption (PTSA), die in der Lage ist Rückführung von Wärme sowohl unter Druck als auch bei niederen Temperaturen zu gewährleisten um die H2 Abtrennung von CO2 und N2 zu ermöglichen.
  • ein rekuperativer Brenner der auf Basis zellulärer Keramiken der in der Lage ist die niederkalorischen PTSA-Produktgase zu verwenden und so Wärme für die oben genannten Prozesschritte zur Verfügung zu stellen.
 
Gestaltungsvorschlag für den BioRoburplus Produktgasbrenner

Die ergänzend in BioROBUR bereits entwickelten technologischen Inovationen (fortschrittliches modulares System für die Luft/Dampf-Kontrolle zur Begrenzung der Verkokung; catalytic trap hosting WGS functionality and allowing decomposition of incomplete reforming products; etc.) werden es erlauben, alle Projektziele innerhalb des Projektrahmens zu erfüllen.
 
Poster zu Zentrum Energie Jahrestagung
 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Entwicklung eines Grill- und Kaminanzünders auf Stahlwollbasis (Anzündmaus)
(Anzuendmaus)

 

 

Zielsetzung der Entwicklung ist es einen deutlich besseren Grill- und Kaminanzünder im Vergleich zu heute verfügbaren Produkten zu entwickeln. Wesentliche Kriterien hierfür sind die Emissionen des Verbrennungsprozesses, die Brenndauer, die zeitliche Entwicklung der Wärmefreisetzungsrate sowie die Speicher- und Lagerstabilität des Anzünders. Die Nutzung von Stahlwolle als wesentlicher Bestandteil des Grillanzünders erfüllt hierbei mehrere Funktionen:

 

Sie dient als Träger für das benutzte Brennmittel: Hiermit können verschiedene Brennstoffe eingesetzt werden, die sonst nicht die notwendige Formstabilität aufweisen würden (z.B. verschiedene Wachse) und nur als Paste oder als Flüssigkeit hätten genutzt werden können.

 

Die Stahlwolle selbst ist ein Brennstoff: In einer ersten vereinfachenden Annahme kann davon ausgegangen werden, dass bei einem Verbrennungsprozess die Stahlwolle vollständig zu Eisen(III)-oxid (Fe2O3) oxidiert. Die Standardbildungsenthalpie von Fe2O3 beträgt Δhf0 = -824,2 kJ/mol. Eine vollständige Oxidation führt zu einer Wärmefreisetzung von 7.379 J/g. Betrachtet man die höhere Dichte von Stahl im Vergleich zu den üblichen aus Kohlenwasserstoffen basierenden Brennmitteln kann man von einem oberen Heizwert von ca. 58.000 MJ/m3 im Vergleich zu 41.500 MJ/m3 für Paraffin und ca. 25.000 MJ/m3 für Holzfaser/Wachs-Gemische. Je nach Porosität des tragenden Stahlwollegerüstes, die über die Verpressung und die Drahtstärke angepasst werden kann, ist die Aufteilung der freizusetzenden Energie zwischen der aus der Stahlwolle-Verbrennung und der aus der Zusatzbrennmittel-Verbrennung in weiten Grenzen wählbar.


Numerische Simulation der wasserdampfgestützten Karbonisierung von Biomasse in Rohrreaktorenof wet biomass carbonization in tubular reactors
(KARBONISIERUNG)

Biomass Steam Processing (BSP) ist ein wasserdampfunterstütztes, thermochemisches Verfahren zur Behandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse mit dem Ziel, deren Energiedichte zu erhöhen. Das BSP-Verfahren ist eine vielversprechende Alternative zu aktuellen Karbonisierungsverfahren. Gerade die Fle-xibilität bei Einsatzstoffen und Betriebsparametern eröffnet neue Anwendungsbereiche.Im Verlauf der Untersuchungen über mehrere Jahre wurden verschiedene experimentelle Ansätze und Skalierungen umgesetzt. Auf-grund der komplexen Stoffeigenschaften von Biomassen und Unklarheiten über deren chemische Reaktionen und Förderverhalten insbesondere während der Umwandlung, ist es sehr schwierig diese Prozesse genau zu ver-stehen und vorherzusagen. Ein Verständnis der Vorgänge kann jedoch die ökonomische Umsetzung von Verfah-ren zur Verwertung von Abfallbiomassen unterstützen und diese als alternative Energiequelle etablieren. BSP ist eine dieser wirtschaftlichen Abfall-zu-Energie Strategien und kann eine ökologische Lösung für die Entsor-gungsprobleme von biologischen Abfällen bieten.

Mit dem beantragten Forschungsvorhaben soll stufenweise ein modular aufgebautes Programm zur numerischen Simulation von Feststofftransport, Wärmeübertragung und chemischen Reaktionen von granularen Feststoffen in Rohrreaktoren mit Relativbewegung zwischen Feststoff und Reaktorwand bzw. Reaktoreinbauten entwickelt werden. Hierbei soll von einfachen Modellen, wie z.B. Kaskadenmodellen ausgegangen werden, um die Einflüsse der unterschiedlichen Teilmodelle für die komplexen chemischen und physikalischen Prozesse zu untersuchen und zu quantifizieren. Aufbauend auf diesen Untersuchungen sollen DEM-Verfahren (DEM: discrete element methods) eingesetzt werden, die an geeignete verfügbare CFD-Verfahren (CFD: computational fluid dynamics) angepasst und mit diesen kombiniert eingesetzt werden. Mit diesem Programmsystem sollen z.B. Schneckenreaktoren, wie sie bei der Carbonisierung von lignozellulosestämmigen Biomassen eingesetzt werden numerisch simuliert werden. Das Programm soll aber auch für den Einsatz für andere Reaktorformen, z.B. Drehrohre oder Rohrreaktoren mit rotierenden schaufelartigen Einbauten entwickelt werden.


Integrated High-Temperature Electrolysis and Methanation for Effective Power to Gas Conversion
(HELMETH)

Das Ziel des EU-Projekts HELMETH (Integrated High-Temperature Electrolysis and Methanation for Effective Power to Gas Conversion) ist die Machbarkeit eines hocheffizienten Power-to-Gas (P2G bzw. PtG) Prozesses mit thermischer Integration von Hochtemperaturelektrolyse (SOEC) und CO2-Methanisierung zu demonstrieren.
Die innovative Verknüpfung von exothermer Methanisierungsreaktion und endothermer Wasserdampfelektrolyse bietet das Potenzial eines der effektivsten Verfahren zur Speicherung von erneuerbarer elektrischer Energie zu werden.
Durch die hohe Kapazität der vorhandenen Erdgasinfrastruktur und der einspeisefähigen Erdgassubstitut-Qualität sind praktisch keine Speicherprobleme vorhanden.
Zur Realisierung des geplanten P2G Prozesses wie er im Rahmen von HELMETH angestrebt wird, sind einige Entwicklungsschritte notwendig. Der Fokus liegt dabei auf zwei  technischen und sozioökonomischen Gesichtspunkten, die zur erfolgreichen Demonstration der Technologie notwendig sind:
  • Erarbeitung der Bedingungen/Szenarien für einen wirtschaftlichen P2G-Betrieb von erneuerbarer elektrischer Energie zu Methan, ohne die CO2 Bilanz der erneuerbaren Energie zu verschlechtern.
  • Demonstration der Realisierbarkeit der Umwandlung von erneuerbarer Energie zu Methan mit Wirkungsgraden größer 85%, welche bloßer Wasserstofferzeugung durch Niedertemperaturelektrolyse überlegen wäre.
Im HELMETH Projekt liegt das Hauptaugenmerk auf der Entwicklung eines unter erhöhtem Druck arbeiteten P2G Moduls, welches aus einer optimierten CO2-Methanisierungseinheit und einer thermisch integrierten Hochtemperaturdampfelektrolyse besteht.
HELMETH soll zeigen dass:
  • Die Umwandlung von erneuerbarer elektrischer Energie zu speicherbarem Methan mit Hilfe der Hochtemperaturelektrolyse technisch machbar ist.
  • Methanisierung und Hochtemperaturelektrolyse durch Nutzung der Reaktionswärme der Methanisierungsreaktion thermisch  gekoppelt werden können und dadurch Wirkungsgrade größer 85% erreicht werden können.

Die Hauptaufgaben des KIT im HELMETH Projekt sind:
  • Technische, wissenschaftliche und administrative Koordination
  • Entwicklung des Methanisierungsmoduls
  • Prozesssimulation
  • Wärmetauscher Tests
  • Öffentlichkeitsarbeit

Cost-effective CO2 conversion into chemicals via combination of Capture and Electrochemical and Biochemical Conversion
(CELBICON)
Die Umwandlung von CO2 in wertvolle Chemikalien oder Treibstoffe in Verbindung mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff hat das Potential sich zum strategischen Ziel der nächsten Jahrzehnte entwickeln. Dies würde nicht nur zur Reduktion von Treibhausgasemissionen bedeuten, sondern auch die Möglichkeit bieten einige der bisher verwendeten fossile Rohstoffe durch regenerativ erzeugte zu ersetzen. In diesem Zusammenhang soll im Rahmen des EU-finanzierten Projekt CELBICON (Cost-effective CO2 conversion into chemicals via combination of Capture, ELectrochemical and BIochemical CONversion technologies) eine neue Technologie zur Umwandlung von CO2 in Chemikalien entwickelt weden, die durch ihre hohe Effizienz auch im kleinen Maßstab vor allem zum Einsatz in Kombination mit den dezentral vorkommende erneuerbaren
Energien geeignet ist. 
Der CELBICON Prozess, dargestellt in der oberen Abbildung, beinhaltet die Abscheidung vonCO2 aus der Atmosphäre und deren Umwandlung in Synthesegas in einem elektro-katalytischemReaktor mit anschließender Biotechnologischer Umwandlung und Weiterverarbeitung in verschiedene Endprodukte (z.B.Isopren oder Biokunststoffe).

 

Das KIT ist im CELBICON Projekt dafür verantwortlich eine energieeffiziente Bereitstellung des Feedstocks für die Elektro-katalytische Einheit, die aus einer CO2/Wasser Lösung bei erhöhter Temperatur und Druck besteht. Da der Energieverbrauch der Lösung von CO2 in Wasser vom Energieaufwand für die Kompression des gasförmigen CO2 dominiert wird, wird das KIT auf der Grundlage von aktuellen Entwicklungen eine neue Methode zur Kompression und
gleichzeitigen Lösung von CO2  in Wasser erforschen.