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Entwicklung eines Fuel Processin

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Entwicklung eines Fuel Processin Powered By Docstoc
					      Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik
      Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen
      Prof. Dr.-Ing. Dimosthenis Trimis



Entwicklung eines Fuel Processing Modules zur Bereitstellung von
Synthesegas für den maritimen Betrieb einer MCFC-Brennstoffzelle




                     3. Sächsischer Brennstoffzellentag, 9. Dezember 2010
                         B. Schulz, T. Schneider, A. Herrmann, D. Trimis

                          TU Bergakademie Freiberg I Gustav-Zeuner-Str. 7 I 09596 Freiberg
                          Tel. 0 37 31 / 39 - 39 41 I Fax 0 37 31 / 39 - 39 42 I www.tu-freiberg.de
                                     Vortragsübersicht


• Einleitung
• Vorstellung des Projektkonsortium
• Aufbau des MCFC-Brennstoffzellensystems
• Fuel Cell Module
• Untersuchung optimaler Betriebsparameter des Fuel Processing Modules (FPM)
• Beschreibung der Anlage und Anlagenkomponentenkomponenten
• Zusammenfassung und Ausblick




         Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen
                                                                                                        2
                                     TU Bergakademie Freiberg I Gustav-Zeuner-Str. 7 I 09596 Freiberg
                                             Einleitung


• MC-WAP = Molten-carbonate fuel Cells for Waterborne Application
• Gefördert durch die EU im Rahmen des 6. Forschungsrahmenprogramms
• IP-Projekt (TIP4-CT-2005-019973) mit 16 Partner aus 7 verschiedenen Ländern
• Gesamtbudget ca. 17 Mio. € bei einer Laufzeit von 5 Jahren
• Ziele:
   – Verbesserung der Leistung von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen

   – Verbesserung der verfügbaren Brennstoffaufbereitungs-Technologie

   – Optimierung Einbindung der einzelnen Komponenten in das Gesamtsystem

   – Entwicklung, Konstruktion, Installation eines Prototyps mit 150 kWel

   – Betrieb des APU Systems auf einem Schiff

           Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen
                                                                                                          3
                                       TU Bergakademie Freiberg I Gustav-Zeuner-Str. 7 I 09596 Freiberg
                              Vorstellung des Projektkonsortium

Cetena S. p. A.                                                    Koordinator
Fincantieri S. p. A.                                               Schiffswerft, Integration von MCFC auf Schiffen
Ansaldo Fuel Cells S. p. A.                                        Entwicklung und Test der MCFC
Politecnico di Torino                                              Schwefelentfernung, Verbreitung von Information
Technip KTI S. p. A.                                               MCFC-Anlagendesign
Marmara Research Center                                            Charakterisierung von Vorgängeranlage
RINA S. p. A.                                                      Zulassung des MCFC-Systems für Schiff
Johnson Matthey                                                    Entwicklung des ATR-Katalysators / Entschwefelung
Oel Wärme Institut                                                 Untersuchung und Auslegung der Entschwefelung
ADROP F. GmbH                                                      Auslegung und Bau von Mischern, Wärmeübertragern
PROMEOS GmbH                                                       Brenner für Heat Cell
Univ. of Erlangen                                                  Entwicklung der Heat Cell
Nat. Tech. Univ. Of Athens                                         Ökologische Bewertung des Projektes
Inst. Of Chemical Tech. Of Prague                                  Kinetische Untersuchung der autothermen Reformierung
Turbec AB                                                          Weiterentwicklung und Anpassung der Gasturbine
Tech. Univ. Bergakademie Freiberg                                  Entwicklung der ATR-Einheit, Entwicklung des FPM


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                   Aufbau des MCFC-Brennstoffzellensystems


                       MCFC-Brennstoffzellensystem



Fuel Processing Module                                            Fuel Cell Module

• Brennstoffleistung: 500 kW                                     • elektr. Leistung: 150 kW
• Synthesegaszusammensetzung:                                    • Schwefelgehalt Syngas: H2S: < 0,1 ppm
    - H 2:   27 %                                                • Synthesegastemperatur: 625 °C
    - H2O: 34 %                                                  • Synthesegasdruck: 2,6 bar (g)
    - CO: 6 %
    - CO2: 9 %
    - N2: 24 %

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                                     Fuel Cell Module




MCFC-Brennstoffzelle in Bosco Marengo                                  Brennstoffzellenstack in Druckbehälter



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         Untersuchung optimaler Betriebsparameter des
                Fuel Processing Modules (FPM)

Prozessfließbild FPM                                                  Modellierung in ASPEN plus 2006




                  Optimale Betriebparameter des FPMs
  Entschwefelungstemperatur: 320 °C                               nH2 ⋅ Hu (H2 ) + n CO ⋅ Hu (CO)
                                                                  &                &
                                                ηFPM =
                                                                                                          &
                                                         (nHeizöl,ATR + nHeizöl,Brenner ) ⋅ Hu (Heizöl) + Q DE
                                                          &             &
  Synthesegastemperatur FPMout: 625 °C

                                 Luft/Heizöl             4,17 kg/kg
                                 Dampf/Heizöl            3,89 kg/kg
                                 Anlagenwirkungs-
                                 grad FPM                  63,48%


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                                                                                                                 7
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                  Beschreibung der Anlagenkomponenten III

Heat Cell
Universität Erlangen




  Diesel

    Luft


  Dampf
                                                                     3 x Rohrbündel-Wärmeübertrager:
                                                                     Fa. aDROP




                                            2 x Ölbrenner mit keramischer
                                            Strahlungsunterstützung (2 x 56 kW)
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                                       TU Bergakademie Freiberg I Gustav-Zeuner-Str. 7 I 09596 Freiberg
            Beschreibung der Anlagenkomponenten IV

Statischer Mischer                          Spray-Dampf Eintritt

Fa. aDROP                                                                       Hauptdampf Eintritt
                                       Diesel




                                                                                 Diesel-Dampf Gemisch




                 Inspektionsöffnung

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                                 TU Bergakademie Freiberg I Gustav-Zeuner-Str. 7 I 09596 Freiberg
                   Beschreibung der Anlagenkomponenten V

                                           Luft                          Diesel-Dampf-Gemisch
  ATR-Einheit (Behälter 1)
  TU-Freiberg
                                                                                                              23 Mischbleche
Rohrbündelwärmeübertrager:
übertragene Leistung: 82 kW
                                                                                                  Prallblech und
                                                                                                  Verteilerplatten


                                                                                                  Strahlungsschild
                                                                                                  (ZTA-Schaum) und
                                                                                                  zwei metallische
                                                                                                  Monolithe: Fa.
                                                                                                  Johnson Matthey


                                                                              entschwefeltes
                                                                              Synthesegas




                                              schwefelhaltiges Synthesegas

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                                                                                                              10
                                        TU Bergakademie Freiberg I Gustav-Zeuner-Str. 7 I 09596 Freiberg
                   Beschreibung der Anlagenkomponenten VI

                                            schwefelhaltiges Synthesegas
  ATR-Einheit (Behälter 2)
  TU-Freiberg


                                                                        Thermoöl




Rohrbündelwärmeübertrager:
übertragene Leistung: 29 kW
                                                                                          ZnO-Bett: Fa.
                                                                                          Johnson Matthey




                                             entschwefeltes Synthesegas

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                                                                                                            11
                                        TU Bergakademie Freiberg I Gustav-Zeuner-Str. 7 I 09596 Freiberg
                     Beschreibung der Anlagenkomponenten IX

   Automatisierungssytem DeltaV:
   Fa. Emerson Process Management



Spezifikationen
Einbindung von ~200 analogen
und digitalen Signalen
Integrierte Datenerfassung und
-auswertung
Sicherheitsgerichtete Steuerkreise
Redundante Hardware (Controller,
Stromversorgung)




                                                 Prozessgrafik FPM

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                                          TU Bergakademie Freiberg I Gustav-Zeuner-Str. 7 I 09596 Freiberg
                    Beschreibung der Anlagenkomponenten XI


   Fuel Processing Module


                                                                                Fackel

                   Druckluftanlage         Statischer Mischer




                                                                                       Rückkühlsystem




Dieseltank
                                              ATR-Einheit
                     Heat Cell
                                                                                Dampferzeuger


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                                                                                                            13
                                         TU Bergakademie Freiberg I Gustav-Zeuner-Str. 7 I 09596 Freiberg
                          Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung
• Vorstellung der Ziele des Projektes MC-WAP
• Beschreibung der Randbedingungen des Brennstoffzellensystems
• Vorgehensweise bei der Bestimmung optimaler Prozessparameter
• Vorstellung des Aufbaus und Spezifikation aller Anlagenkomponenten


Ausblick
• Testlauf der Anlage Ende 2010 / Anfang 2011
• Validierung des realen Prozesses mit Auslegungsparametern
• Transport des Fuel Processing Modules nach Bosco Marengo und Kopplung mit
  dem Fuel Cell Module

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Die Autoren bedanken sich in Namen aller beteiligten Projektpartner bei der
Europäischen Kommission für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des 6.
Rahmenprogramms, Projekt MC-WAP (TIP4-CT-2005-019973)




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               Viele Dank für Ihre
                     Aufmerksamkeit



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