Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand

Die Politik hat sich sowohl auf nationaler als auch auf europäischer Ebene ambitionierte Ziele zum Ausbau erneuerbarer Energien und zur Minderung der Treibhausgasemissionen gesetzt. Im Nationalen Aktionsplan für Erneuerbare Energien der Bundesrepublik Deutschland sind diese Ziele bis zum Jahr 2020 definiert. Der Anteil erneuerbarer Energien bei der Bereitstellung von Wärme und Kälte soll demnach von 6,6 % auf 15,5 % des Bruttoendenergieverbrauches steigen. Entsprechend der zunehmenden Bedeutung der solarthermischen, oberflächennahen und geothermischen Wärme wird der relative Anteil der Biomasse abnehmen. Mit den im Nationalen Aktionsplan aufgeführten 79 % leistet sie dennoch einen essentiellen Betrag im regenerativen Wärmemarkt [BMU 2010]. [... aus der Einleitung]

Hauptziel dieses Forschungsvorhabens war es, die Auswirkungen der Sauerstoffanreicherung von Drehofenflammen in Zementklinkerproduktionsanlagen auf das Produkt Klinker, den Ofenbetrieb und den Alternativbrennstoffeinsatz sowie auf die Abgaszusammensetzung zu evaluieren.

Die Schriftenreihe informiert über das Ausmaß der Luftbelastung durch Holzheizungen in einem kleinen Ort. Die gesetzlichen Grenzwerte für die Luftqualität wurden nicht überschritten. Die Zusatzbelastung im Winter insbesondere bei ultrafeinen Partikeln, Ruß und dem als krebserzeugend eingestuften Benzo(a)pyren bedeutet eine nicht unerhebliche Verschlechterung der Luftqualität. Die Ergebnisse zu den Konzentrationen von Dioxinen und Furanen im Staubniederschlag sind in einem gesonderten Bericht zusammengefasst. Der Bericht richtet sich an Fachbehörden, Wissenschaft und interessierte Bürger. Redaktionsschluss: 09.04.2020

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines dieselbetriebenen autothermen Reformierungssystems (ATR-Einheit) zur Bereitstellung von wasserstoff- und kohlenmonoxidreichem Synthesegas für den maritimen Betrieb einer MCFC-Brennstoffzelle. Aufgrund der niedrigen Schadstoffemissionen sowie des hohen Wirkungsgrades hat dieses System das Potential eine mögliche Alternative zu den bisherigen Schiffsdieselmotoren aufzuzeigen, welche die zukünftigen Emissionsgrenzwerte einhält und zudem noch zu Kosteneinsparungen durch einen geringeren Brennstoffverbrauch beiträgt. Die Hauptkomponenten des Reformierungssystems umfassen im Wesentlichen einen autothermen Reformierungsreaktor sowie einen nachgeschalteten Entschwefelungsreaktor. Für den optimalen Betrieb der beiden Reaktoren wurde ein Verschaltungskonzept entwickelt und umgesetzt, welches durch zusätzliche Peripheriekomponenten wie Strömungsverteiler, Mischer und Wärmeübertrager ergänzt wurde. Diese haben die Aufgabe einen stabilen Reformierungs- und Entschwefelungsprozess zwischen 50 % bis 100 % Betriebslast zu gewährleisten, wofür diverse experimentelle und numerische Methoden zur Optimierung herangezogen wurden. Darüber hinaus wurde die Konzeptionierung der Gesamtverschaltung im Hinblick auf eine gute Regelbarkeit untersucht. Hierfür wurden mehrere Bypassschaltungen vorgesehen, welche bei Teillastbetrieb konstante Betriebstemperaturen am Eintritt des Entschwefelungsreaktors und der Brennstoffzellen ermöglichen. Für die Bestimmung der optimalen Betriebskenngrößen wurden umfangreiche Prozesssimulationen durchgeführt mit Hilfe deren die Auslegung der einzelnen Baugruppen erfolgte. Darüber hinaus wurden insbesondere die optimalen O/C- und S/C-Verhältnisse bestimmt, welche sowohl einen hohen Wirkungsgrad als auch die Einhaltung der Systemrandbedingungen gewährleisten. Mit Hilfe der ermittelten Betriebskenngrößen wurde ein Gesamtkonzept entwickelt, womit neben der konstruktiven Umsetzung insbesondere die Werkstoffauswahl für das druckbeaufschlagte System definiert werden konnte. Im Hinblick auf die Erzielung eines möglichst hohen Reformerwirkungsgrades unter stabilen Betriebsbedingungen wurde das Reformierungssystem als Kernkomponente eines Fuel Processing Moduls realisiert und charakterisiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Systems ein stabiler Betrieb über mehrere Tage ohne Katalysatordeaktivierung realisieren lässt. Ebenfalls konnte ein modulierender Betrieb zwischen 50 % bis 100 % Betriebslast dargestellt werden, wobei alle Temperaturrestriktionen eingehalten wurden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mittels des entwickelten Reformierungssystems eine mögliche Alternative zu den bisherigen Schiffsdieselmotoren aufgezeigt wurde, welche in Kombination mit MCFC-Brennstoffzellen die zukünftig geforderten Schadstoffrestriktionen erfüllt.

In der Arbeit wird das Verdichtungsverhalten von halm- und stengelförmiger Biomasse (Getreidestroh, Heu, Leinstroh) im Hochdruckbereich beschrieben mit dem Ziel der Herstellung eines Festbrennstoffes in Schüttgutform. Als Versuchseinrichtung wird eine Stempelpresse mit kreisförmigem Werkzeugquerschnitt genutzt. Das Halmgut wird unzerkleinert mit einem Feuchtegehalt von 12…16% unter Einwirkung von Drücken bis zu 250 MPa ohne Zugabe von Bindemitteln verpreßt. Es wird, abgeleitet aus den Versuchsergebnissen, eine neue Verdichtungsgleichung erstellt, die für das Verdichten von unzerkleinertem Halmgut (Feuchte bis 16%) im Hochdruckbereich gültig ist. Der Einfluß der jeweiligen Gutart wird in entsprechenden Konstanten berücksichtigt. Die Eigenschaften der hergestellten Briketts, wie u. a. Bindungsverhalten und Festigkeit, wurden untersucht. Zur Bestimmung der Abrieb- und Scherfestigkeit werden Testmethoden und -geräte angepaßt bzw. neu entwickelt. Die Ergebnisse der theoretischen und experimentellen Betrachtungen fließen in die Konzeption eines Brikettierverfahrens ein. Der Funktionsnachweis des Verfahrens wird durch den Bau und Test eines Prototypen erbracht.

Hydrothermale Prozesse bieten als Plattformtechnologie die Basis für eine Vielzahl neuer Wertschöpfungsketten, die es zu erschließen gilt. Die Integration dieser Prozessströme in die stofflich-energetische Koppelproduktion der Bioökonomie eröffnet ein großes Marktpotenzial für Produkte und entsprechende Verfahrenstechnologien

Aktuelle Entwicklungsarbeiten im Bereich der Hydrothermalen Prozesse (HTP) setzen auf eine deutliche Verbreiterung der Produktpalette, von Kraftstoffkomponenten über Feinchemikalien bis hin zu Funktionskohlenstoff. Damit werden, insbesondere auf der Basis von sortenreiner Biomasse, neue interessante Wertschöpfungsketten möglich. Eine Vielzahl neuer Ansätze und Entwicklungstrends konnten beim diesjährigen 2. Fachforum „Hydrothermale Prozesse“ am 8./9. September 2016 präsentiert werden. Für das bisher mitunter als Problem der Hydrothermalen Prozesse angesehene Prozesswasser wurden neue Wege zur Nutzung vorgestellt, die eine gekoppelte Gewinnung von weiteren Wertstoffen oder Bereitstellung von Energie ermöglichen. Die Weiterentwicklung des hydrothermalen Prozesses sollte damit nicht mehr an einem Abwasserproblem scheitern. Darüber hinaus wurden Demonstrationsanlagen für die hydrothermale Carbonisierung vorgestellt, die mehrere tausend Betriebsstunden ohne nennenswerte Probleme absolviert haben. Allerdings wurde im Bereich von Neuinvestitionen in HTC-Anlagen vor allem von Aktivitäten im nichteuropäischen Ausland berichtet. Hier sind verstärkte Aktivitäten erforderlich, damit Deutschland seine Technologieführerschaft behält und sich bei den Entwicklungen für die neuen Anwendungsfelder platzieren kann. Zahlreiche weitere Aspekte und Forschungsergebnisse können im vorliegenden Tagungsreader anhand von Abstracts und Präsentationsfolien nachvollzogen werden.

Mit Hilfe eines variabel einsetzbaren Reaktornetzwerkmodells (RNM) wird in der vorliegenden Dissertation der Prozess der Vergasung von Brennstoffmischungen in der Fließbildsimulation beschrieben. Neben der Untersuchung von gestuften Prozessketten zur Veredelung von kohlenstoffhaltigen Energieträgern ist damit auch die differenzierte Analyse von Effekten während der Vergasung von binären und ternären Brennstoffmischungen möglich. Die Erstellung sowie Validierung des RNM wird anhand des PEFR-Vergasers, des SFGT-Vergasers und des Hybridwandvergaser vorgenommen. Die anschließende Analyse der Vergasung von Brennstoffmischungen zeigt, dass in ihren Eigenschaften sehr heterogene Brenn¬stoffmischungen Synergieeffekte bei der Vergasung hervorrufen. Diese sind in der Literatur schon oft beschrieben worden, eine systematische Analyse wird jedoch erst in der vorliegenden Dissertation durchgeführt. / Within this document the modeling and simulation of fuel blend gasification is investigated based on a variably applicable Reduced Order Model (ROM) developed for the flowsheet simulation of entrained-flow gasification reactors and processes. On one hand this enables the investigation of cascaded solid fuel conversion technologies and on the other hand effects during gasification of binary and ternary fuel blends are describable. The development as well as the validation of the ROM has been carried out for the SFGT gasifier, the PEFR gasifier and the hybrid-wall gasifier. The subsequent analysis of binary and ternary fuel blend gasification shows that fuel blends with very heterogeneous component properties induce synergy effects which have been reported in various peer review publications.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines dieselbetriebenen autothermen Reformierungssystems (ATR-Einheit) zur Bereitstellung von wasserstoff- und kohlenmonoxidreichem Synthesegas für den maritimen Betrieb einer MCFC-Brennstoffzelle. Aufgrund der niedrigen Schadstoffemissionen sowie des hohen Wirkungsgrades hat dieses System das Potential eine mögliche Alternative zu den bisherigen Schiffsdieselmotoren aufzuzeigen, welche die zukünftigen Emissionsgrenzwerte einhält und zudem noch zu Kosteneinsparungen durch einen geringeren Brennstoffverbrauch beiträgt. Die Hauptkomponenten des Reformierungssystems umfassen im Wesentlichen einen autothermen Reformierungsreaktor sowie einen nachgeschalteten Entschwefelungsreaktor. Für den optimalen Betrieb der beiden Reaktoren wurde ein Verschaltungskonzept entwickelt und umgesetzt, welches durch zusätzliche Peripheriekomponenten wie Strömungsverteiler, Mischer und Wärmeübertrager ergänzt wurde. Diese haben die Aufgabe einen stabilen Reformierungs- und Entschwefelungsprozess zwischen 50 % bis 100 % Betriebslast zu gewährleisten, wofür diverse experimentelle und numerische Methoden zur Optimierung herangezogen wurden. Darüber hinaus wurde die Konzeptionierung der Gesamtverschaltung im Hinblick auf eine gute Regelbarkeit untersucht. Hierfür wurden mehrere Bypassschaltungen vorgesehen, welche bei Teillastbetrieb konstante Betriebstemperaturen am Eintritt des Entschwefelungsreaktors und der Brennstoffzellen ermöglichen. Für die Bestimmung der optimalen Betriebskenngrößen wurden umfangreiche Prozesssimulationen durchgeführt mit Hilfe deren die Auslegung der einzelnen Baugruppen erfolgte. Darüber hinaus wurden insbesondere die optimalen O/C- und S/C-Verhältnisse bestimmt, welche sowohl einen hohen Wirkungsgrad als auch die Einhaltung der Systemrandbedingungen gewährleisten. Mit Hilfe der ermittelten Betriebskenngrößen wurde ein Gesamtkonzept entwickelt, womit neben der konstruktiven Umsetzung insbesondere die Werkstoffauswahl für das druckbeaufschlagte System definiert werden konnte. Im Hinblick auf die Erzielung eines möglichst hohen Reformerwirkungsgrades unter stabilen Betriebsbedingungen wurde das Reformierungssystem als Kernkomponente eines Fuel Processing Moduls realisiert und charakterisiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Systems ein stabiler Betrieb über mehrere Tage ohne Katalysatordeaktivierung realisieren lässt. Ebenfalls konnte ein modulierender Betrieb zwischen 50 % bis 100 % Betriebslast dargestellt werden, wobei alle Temperaturrestriktionen eingehalten wurden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mittels des entwickelten Reformierungssystems eine mögliche Alternative zu den bisherigen Schiffsdieselmotoren aufgezeigt wurde, welche in Kombination mit MCFC-Brennstoffzellen die zukünftig geforderten Schadstoffrestriktionen erfüllt.