DE10041262A1 - Brennstoffzellen-Kraftwerk - Google Patents
Brennstoffzellen-KraftwerkInfo
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Abstract
Brennstoffzellen-Kraftwerke haben sich als Verfahren zur Erzeugung von Strom, Wärme und Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen etabliert. Das dabei anfallende CO¶2¶ kann bislang nur durch aufwendige Technik verflüssigt und anschließend gespeichert oder in Lagerstätten deponiert werden. DOLLAR A Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der größte Teil des Kohlenstoffs, der sich in dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff befindet, vor der eigentlichen elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle in festen Kohlenstoff umgewandelt, der dann auf einfache Weise aus dem System geschleust werden kann und keine Umweltgefährdung mehr darstellt. Der anfallende Kohlenstoff stellt ein Wertprodukt dar, welches für weitere Prozeßschritte benutzt oder veräußert werden kann.
Description
Die Erfindung betrifft ein Hochtemperatur-Brennstoff
zellen-Kraftwerk sowie ein Verfahren zur verbesserten
Nutzung eines solchen.
In einem Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Kraftwerk wird
neben der MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) auch die
SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) zur Stromerzeugung und
Wasserstoffproduktion eingesetzt (H.-E. Vollmer,
C.-U. Maier, C. Nölscher, T. Merklein, M. Poppinger;
Innovative concepts for the coproduction of electricity
and syngas with solid oxide fuel cells, Journal of
Power Sources, Vol. 86, (2000), pp. 90-97). Als Brenn
stoff wird Erdgas verwendet. Typischerweise findet in
nerhalb oder außerhalb der Brennstoffzelle eine Refor
mierung des Methans mit Wasserdampf zu CO und Wasser
stoff statt. Diese reagieren dann an der Anode elektro
chemisch zu Wasser und CO2. Das entstehende gasförmige
CO2 führt jedoch regelmäßig zu Umweltemissionen, da CO2
zu den Treibhausgasen gezählt wird. Eine Reduktion des
CO2 aus einer gasförmigen Atmosphäre ist nur schwierig
zu realisieren.
Fortschrittliche Verfahren verflüssigen vorher durch
geeignete Vorrichtungen separiertes CO2, um es separat
zu lagern (E. Riensche, E. Achenbach, D. Froning,
M. R. Heines, W. K. Heidug, A. Lokurlu, S. von Andrian;
Clean combined-cycle SOFC power plant - cell modeling
and process analysis; Journal of Power Sources, Vol.
86, (2000), pp. 404-410).
Sogenannte emissionsfreie Brennstoffzellen-Kraftwerke
pumpen das entstehende und anschließend verflüssigte
CO2 in entleerte unterirdische Erdöl- oder Erdgaslager
stätten. Dort soll es dauerhaft festgehalten werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Strom/Wasserstofferzeugung zur Verfügung zu stellen,
bei welchem eine flüssige oder gasförmige CO2-Produk
tion nahezu vollständig vermieden wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrei
ben eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Kraftwerks
gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Verfahrensweisen er
geben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 zum Be
treiben eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Kraft
werks ist dadurch gekennzeichnet, daß ein kohlenwasser
stoffhaltiger Brennstoff zu festem Kohlenstoff umgewan
delt wird.
In einem Brennstoffzellen-Kraftwerk wird durch eine
elektrochemische Umwandlung eines Brennstoffs und eines
Oxidationsmittels mit Hilfe einer Hochtemperatur-Brenn
stoffzelle, z. B. der SOFC, Strom erzeugt. Typische
Kohlenwasserstoff-haltige Brennstoffe sind dabei Erdgas
mit seinem Hauptbestandteil Methan oder auch Methanol.
Eine Umwandlung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brenn
stoffs erfolgt beispielsweise durch endotherme Zerset
zungsreaktionen gemäß:
CH4 ⇔ C + 2H2
C2H6 ⇔ 2C + 3H2
Durch geeignete Wahl der Reaktionsparameter, wie z. B.
die Temperatur, der Druck oder die Konzentration ein
zelner Reaktionspartner, können die Gleichgewichtsreak
tionen derart zu einer Seite hin verschoben werden, daß
es nahezu zu einer vollständigen Zersetzung kommt.
Diese Zersetzungsreaktionen setzen die Abwesenheit von
Sauerstoff voraus, da sonst während dieser Reaktionen
nachteilhaft Kohlenstoffoxide gebildet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf,
daß aus dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff der
Kohlenstoff als fester Kohlenstoff (Graphit, Ruß) an
fällt, der auf einfache Weise aus dem System entfernt
werden kann und somit nicht als umweltschädliches CO
oder CO2 anfällt. Der feste Kohlenstoff läßt sich bei
spielsweise allein aufgrund der Dichteunterschiede
durch die Schwerkraft oder auch verstärkt durch Filter
vom gebildeten gasförmigen Wasserstoff trennen und aus
dem System entfernen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Kohlen
stoff aus dem Brenngas zu über 50%, insbesondere zu
über 90% in festen Kohlenstoff umgewandelt. Damit ar
beitet dieses Verfahren zum Betreiben eines Brennstoff
zellen-Kraftwerks nahezu CO2-emissionsfrei.
Besonders geeignete Brennstoffe sind gasförmige Kohlen
wasserstoffe, insbesondere bei Raumtemperatur (25°C)
und Normaldruck (1 bar) gasförmige Kohlenwasserstoffe
(z. B. Methan), da hier die Umwandlung zu festem Koh
lenstoff über die Zersetzungsreaktion ohne vorherige
Umwandlung in die Gasphase erfolgen kann. Ferner sind
die Reaktionsparameter (z. B. Gleichgewichtskonstante)
für diese Reaktion sehr günstig.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung findet die
Zersetzungsreaktion des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs
vor der Umwandlung in der Brennstoffzelle statt. Da
durch wird der Kohlenstoff noch vor der Brennstoffzelle
abgetrennt, und es gelangt überwiegend nur noch Wasser
stoff in die Brennstoffzelle.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Nutzung der
bei der elektrochemischen Umwandlungsreaktion in der
Hochtemperatur-Brennstoffzelle entstehenden Wärme zur
meist endothermen Zersetzung des kohlenwasserstoffhal
tigen Brennstoffs. Die Abwärme der Brennstoffzelle kann
dabei konvektiv, beispielsweise über einen Abgasstrom,
oder auch durch direkte Wärmestrahlung oder Wärmelei
tung an die Stelle der Zersetzungsreaktion gelangen.
Dazu kann beispielsweise die Vorrichtung zur Umwandlung
des Brennstoffs in festen Kohlenstoff in direktem Kon
takt zum Brennstoffzellenstapel stehen. Die Abwärme
wird bei der für Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Kraft
werke typischen kontinuierlichen Fahrweise permanent
zur Verfügung gestellt, so daß auch die Apparatur für
die Spaltung der Kohlenwasserstoffe vorteilhaft konti
nuierlich betrieben werden kann.
Erfolgt die Wärmeauskopplung aus der Brennstoffzelle
z. B. durch Ausnutzung der Wärmestrahlung auf den Zer
setzungsapparat, so ist es möglich, die Brennstoffzelle
gezielt durch die endotherme Zersetzungsreaktion zu
kühlen. Eine Reduktion der Luftsauerstoffmenge bis auf
den stöchiometrischen Bedarf ist somit möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
die Menge des kohlenwasserstoffhaltigen Brenngases,
insbesondere des Methans, derart geregelt, daß in dem
Brennstoffzersetzer wesentlich mehr Wasserstoff produ
ziert wird, als in dem Hochtemperatur-Brennstoffzellen
stapel elektrochemisch umgesetzt wird. Somit ist es
möglich, Wasserstoff zu produzieren und gleichzeitig
die Brennstoffzelle effektiv zu kühlen. Dazu wird ein
Teil des Wasserstoffstroms der Anlage entzogen. Brenn
gas, z. B. Erdgas, wird somit im Überschuß zersetzt.
Eine Überschußeinspeisung im Sinne der Erfindung liegt
insbesondere dann vor, wenn die abgezogene Wasserstoff
menge mindestens 20%, vorteilhafterweise mindestens
50%, der während der Zersetzung erzeugten Wasserstoff
menge beträgt.
Nachfolgend wird das Verfahren anhand eines vereinfach
ten Verfahrensfließbildes (Fig. 1) einer Festoxid-
Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage erläutert. Erdgas
1 wird nach einer Verdichtung 2 in einen Methan-Zerset
zer 3 geleitet. Die zum Ablaufen der endothermen Reak
tion 2 notwendige Wärmemenge wird durch den Abgasstrom
4 konvektiv übertragen. Der aus dem Methan-Zersetzer
austretende Wasserstoff 5 besitzt vorteilhafterweise
die Arbeitstemperatur des Stacks 6 (700-1000°C).
Ferner ist der Methan-Zersetzer 3 konstruktiv so ge
staltet, daß der Wasserstoff vernachlässigbar geringe
Mengen an Rußpartikeln enthält. Der entstehende feste
Kohlenstoff wird dem Methan-Zersetzer 3 durch eine ge
eignete Fördereinrichtung 7 entzogen. Luft 8 wird in
einem Verdichter 9 verdichtet und in einem Luftvorwär
mer 10 ebenfalls auf die Arbeitstemperatur des Stacks
vorgewärmt. Im Brennstoffzellenstapel läuft die elek
trochemische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff
zu Wasserdampf ab. Elektrischer Strom wird erzeugt 14.
Das anodenseitige und kathodenseitige Abgas wird in
einer Nachbrennkammer 11 verbrannt. Dem Abgasstrom wird
in den Apparaten Zersetzer 3 und Luftvorwärmer 10 Wärme
entzogen. Die restliche Wärmemenge kann dazu genutzt
werden, um in einem Nutzwärmeübertrager 12 zusätzlich
Wärme auszukoppeln. Schließlich verläßt ein nahezu CO2-
freies Abgas 4 die Anlage. Ein CO2-freies Abgas im Sin
ne der Erfindung liegt insbesondere dann vor, wenn das
Verhältnis von austretendem CO2-Molenstrom zu einge
setztem Erdgas-Molenstrom (hier angenommen als 100%
Methan) geringer als 2% ist.
In einem Ausführungsbeispiel wird bei dem erfindungsge
mäßen Verfahren die elektrochemische H2-Umsetzung (Re
aktion 1) mit der Methanzersetzungsreaktion (Reaktion
2) kombiniert. Reaktion 1 ist exotherm und findet in
der Hochtemperatur-Brennstoffzelle statt, Reaktion 2
hingegen ist endotherm und findet unter Wärmezufuhr in
einem hitzebeständigen Apparat statt.
H2
+ 0,5 O2
⇔ H2
O ΔH1000K
= -248 kJ/mol
CH4
⇔ C + 2H2
ΔH1000K
= 90 kJ/mol
Die Gleichgewichtslage der Reaktion 2 läßt sich durch
folgende die temperaturabhängige Gleichgewichtskonstan
te Kp beschreiben (Ullmann, 4. Aufl., 1977, Bd. 14,
Gaserzeugung aus Kohle und Kohlenwasserstoffen):
Brennstoffzellen-Kraftwerke haben sich als Verfahren
zur Erzeugung von Strom und Wasserstoff etabliert. Das
dabei anfallende CO2 kann bislang nur durch aufwendige
Technik verflüssigt und anschließend gespeichert oder
in Lagerstätten deponiert werden. Das erfindungsgemäße
Verfahren eröffnet demgegenüber einen Weg, die Technik
der Brennstoffzellen-Kraftwerke weiterhin effektiv zu
nutzen und das Problem der CO2-Emission auf einfache
Weise durch die Umwandlung zu festem Kohlenstoff deut
lich zu verringern. Der produzierte Kohlenstoff kann
somit gezielt für nachgeschaltete Synthesen/Prozesse
verwendet oder veräußert werden.
1
Erdgas
2
Verdichter
3
Methan-Zersetzer
4
Abgasleitung
5
Wasserstoffleitung
6
SOFC-Brennstoffzellenstapel
7
Kohlenstoff-Fördereinrichtung
8
Luft
9
Verdichter
10
Luftvorwärmer
11
Nachbrennkammer
12
Nutzwärmeüberträger
13
Wasserstoffleitung
14
Strom
Claims (9)
1. Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Kraftwerks,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff zu
mindest teilweise in festen Kohlenstoff umgewandelt
wird.
2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein gasförmiger kohlenwasserstoffhaltiger
Brennstoff eingesetzt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gasförmigen Brennstoffe bei Raumtempera
tur (25°C) und Normaldruck (1 bar) gasförmig sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine kontinuierlich betriebene Methanzerset
zungsreaktion stattfindet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abwärme einer Brennstoffzelle zumindest
teilweise der Methanzersetzungsreaktion zugeführt
wird.
6. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung er
folgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Methanzersetzung der Brennstoffzelle vor
geschaltet ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem maximal 80% des durch Methanzersetzung er
zeugten Wasserstoffs in der Brennstoffzelle umge
setzt wird, insbesondere nicht mehr als 50%.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend eine Vorrichtung zur Methanzersetzung und
Mittel zur Abführung von festem Kohlenstoff.
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