Reformierung von BtL-Kraftstoffen für die HT-PEFC in luftfahrttechnischen Systemen

Wilbrand, Christiane; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Stumpf, Eike (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2018, 2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/Energy & environment 454
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (IV, 313 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Der bestehende Entwicklungstrend in Richtung „More-Electric-Aircraft“-Architekturen bedeuten einen stetigen Anstieg des Bordstrombedarfs von Flugzeugen. Zur Deckung des Strombedarfszukünftiger Verkehrsflugzeuge bieten sich aus mehrfacher Hinsicht Brennstoffzellen an. So punkten diese gegenüber der konventionellen Gasturbinen-APU („Auxiliary Power Unit“, deutsch Hilfstriebwerk) nicht nur mit einem höheren Wirkungsgrad, sondern vor allem auch mit dem Nichtausstoß umweltproblematischer NOx-Emissionen. Darüber hinaus verspricht die potentielle Nutzung des Reaktionsprodukts Wasser eine teil- oder vollautarke Frischwasserversorgung, während die sauerstoffabgereicherte Abluft des Brennstoffzellensystems für die Kerosintankinertisierung interessant ist. Als besonders vielversprechend für die Anwendung als Flugzeug-APU gilt der Brennstoffzellentyp HT-PEFC (High Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cell). Einer der hervorzuhebenden Vorteile der HT-PEFC gegenüber der langjährig entwickelten Niedertemperaturvariante ist die vergleichsweise hohe Toleranz für Kohlenmonoxid, welche die Verwendung von Kerosinreformat als Brennstoff vereinfacht und damit den Verzicht auf eine aufwändige Wasserstoffspeicherung erlaubt. Ein sehr attraktives Reformierungsverfahren für On-board-Wasserstofferzeugung ist die sogenannte „Autotherme Reformierung“. Der Reformierungserfolg hängt allerdings nicht nur vom Reformerdesign und von den gewählten Reformierungsparametern ab, sondern vor allem auch von der Reformierbarkeit des Kohlenwasserstoffgemischs. So enthält synthetisiertes Fischer-Tropsch-Kerosin („XtL“), wie z.B. biogenes BtL („Biomass to Liquid“), im Gegensatz zu mineralölbasiertem Kerosin weder Aromaten noch Schwefel, was dem Reformierungsprozess entgegenkommt. Die vorliegende Dissertationsarbeit knüpft thematisch an dieser Stelle an. Übergeordnetes Ziel war eine Einschätzung über das technische Konkurrenzpotential von HT-PEFC-Systemen im Anwendungsfall Flugzeug-APU. Dabei spielten die Bereitstellungsart und die Rohstoffbasis des für den Brennstoffzellenbetrieb erforderlichen Wasserstoffs eine zentrale Rolle für die APU-Bilanz. Über experimentelle Reformierungsversuche mit Reformern der Leistungsklasse5 kWel wurden zunächst der aktuelle Entwicklungsstand der autothermen Reformierung aufgezeigt und praktische Erkenntnisse für die weitere Entwicklungsarbeit gewonnen. Als Brennstoffe dienten sowohl schwefelfreies Hydrocracker-Kerosin als auch XtL-Kerosin. Angesichts der ermutigenden Versuchsergebnisse ist die autotherme Reformierung ein vielversprechender Weg, um langfristig mobile Brennstoffzellensysteme zuverlässig mit Wasserstoff zu versorgen. Die Verfügbarkeit von XtL-Treibstoff kann hierfür ein notwendiges Kriterium sein. Im zweiten Hauptteil der Arbeit wurde in mehreren Zukunftsszenarien die Wettbewerbsfähigkeit eines technisch ausgereiften HT-PEFC-Systems betrachtet. Dabei stützte sich die Untersuchung auf dynamische Simulationen vollständiger Flugzyklen eines mit HT-PEFC-APU ausgestatteten More-Electric-Aircraft. Als Referenz diente ein More-Electric-Aircraft mit konventioneller Gasturbinen-APU. Wesentliche Kriterien für die Bewertung waren der Primärenergiebedarf des Flugzeugs und die Menge an ausgestoßenen Treibhausgasemissionen. Gemäß der Simulationsergebnisse kann eine HT-PEFC-APU eine ernstzunehmende Alternative zur Gasturbinen-APU darstellen, insofern die Leistungsdichte gegenüber dem gegenwärtigen Stand vergrößert werden kann. Dabei liegen die technischen Hürden zur Realisierung einer Konkurrenzfähigkeit bei Reformat deutlich niedriger als für Wasserstoff.

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