Wasserstofferzeugung durch partielle katalytische Dehydrierung (PkD) ausgewählter Komponenten von Kerosin

Kurzfassung

Wasserstofferzeugung aus flüssigen Brennstoffen für die Versorgung von Brennstoffzellensystemen hat das Potenzial, sowohl in der stationären dezentralen Energieversorgung als auch im mobilen Bereich Anwendung zu finden. Im Flugzeug kann für die Bordstromversorgung mittels Brennstoffzelle on-board aus Kerosin erzeugter Wasserstoff eingesetzt werden. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Reduzierung der Emissionen als auch der Lärmbeeinträchtigung durch Flugzeuge am Boden geleistet. Neben den bereits intensiv untersuchten Reformierungsverfahren zur Wasserstofferzeugung wird am DLR ein neuartiges Verfahrenskonzept aus Fraktionierung und nachfolgender partieller katalytischer Dehydrierung (PDh) verfolgt. Die Abtrennung einer signifikant schwefelreduzierten Kerosinfraktion mittels Rektifikation konnte bereits erfolgreich experimentell nachgewiesen werden. Mit der partiellen katalytischen Dehydrierung kann bei einer gegenüber der Reformierung deutlich reduzierten Umwandlungstemperatur unterhalb 500°C reiner Wasserstoff erzeugt werden. Dadurch können aufwendige Aufbereitungsschritte zur Reinigung des Produktgases für den Einsatz in der Brennstoffzelle entfallen. Die Herausforderung bei der Dehydrierung des Flugtreibstoffs Jet A1 liegt in dessen komplexer chemischer Zusammensetzung. Durch GCMS und GCFID können vier Hauptstoffgruppen, Paraffine, Iso-Paraffine, Naphthene und Aromaten in Jet A1 identifiziert werden. Die Wasserstoffausbeute aus Kerosin ist in hohem Maße von der Art und dem Anteil dieser Stoffgruppen abhängig. Während Naphthene sich gut zu Wasserstoff und Aromaten umsetzen lassen, werden Aromaten bei der PDh nicht umgesetzt und Paraffine und Iso-Paraffine führen zu teilweise gasförmigen Nebenprodukten wie Methan und Verkokungen am Katalysator. Da in dem vorgeschalteten Fraktionierungsschritt durch thermische Trennung auch die Zusammensetzung der Stoffgruppen des Kerosins verändert wird, ist es von besonderem Interesse, das Verhalten der Stoffgruppen in der PDh durch experimentelle Untersuchungen beurteilen zu können. Beim DLR wurde daher ein PDh-Laborteststand zur Untersuchung der erzielbaren Wasserstoffausbeuten und zur Identifizierung geeigneter Betriebsparameter aufgebaut. Qualifiziert werden neben reinem Kerosin und einzelnen Kohlenwasserstoffgruppen auch unterschiedliche, schwefelreduzierte Fraktionen für die katalytische partielle Dehydrierung. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen erfolgt anschließend eine energetische Bewertung des Verfahrenskonzepts für die Bordstromversorgung anhand eines Prozessmodells in Aspen Plus. Für diesen Zweck wurden zwei wärmeintegrierte Prozesskonzepte entwickelt. Zum einen wird die PDh mit vorgeschalteter Fraktionierung abgebildet und zum anderen ein vereinfachtes System bei dem bereits schwefelarmes Kerosin für die PDh bereitgestellt wird aufgrund dessen ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Im Rahmen des Vortrags werden ausgewählte experimentelle Ergebnisse zur partiellen katalytischen Dehydrierung sowie die energetische Bewertung der beiden Prozesskonzepte mittels Pinch- Methode vorgestellt.