title: Virtuelle, Mikroplant-gestützte Prozessentwicklung am Beispiel eines Mikro-Dampfreformers
Creators: name: Kazdal, Timur, J.
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2019

description: Die virtuelle Prozessentwicklung ist eine simulationsgestützte Auslegungsmethodik. Sie basiert auf Mehr-Skalen-Simulationen. So wird der Prozess als Ganzes, sowie der einzelne Apparat im Detail konstruiert, modelliert und berechnet. Durch die Wechselwirkung der beiden Ebene steigt das Prozessverständnis und Rückkopplungseffekte können frühzeitig erkannt werden. In dieser Arbeit wird die virtuelle Verfahrensentwicklung angewendet, um eine dezentrale, hochefﬁziente Kleinst-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage zu projektieren. Die Motivation liegt in der Reduktion des Kohlenstoff-Fußabdruckes durch bedarfsgerechte Stromproduktion mit maximierter Brennstoffausnutzung durch den Einsatz efﬁzienter Energiewandlungstechnologie, sowie der Nutzung der Abwärme zur anteiligen Deckung des Heizbedarfs. Auf der Funktionsebene werden zunächst notwendige Operationen identiﬁziert, um Methan über eine Brennstoffzelle in elektrische Energie zu wandeln. Hierauf aufbauend werden auf der Prozessebene unterschiedliche Varianten der Anlage konzipiert und modelliert. Für jede Prozessvariante werden Verfahrensﬂießbild und Wärmeübertragernetzwerk erstellt und eine Exergie-Analyse durchgeführt. Die Ergebnisse der Prozessebene werden als Exergie-Sankey-Diagramme dargestellt. Sensitivitätsanalysen werden unterstützend eingesetzt, um den Einﬂuss von Prozessparametern auf den gesamt-exergetischen Wirkungsgrad zu untersuchen. Schließlich liefert die Prozesssimulation auch das Anforderungsproﬁl der einzelnen Prozessschritte und somit die Grundlage der Apparate-Dimensionierung. Auf der Bauartebene werden räumlich und zeitlich aufgelöste Simulationen der chemischen Reaktionen in durchströmten Mikroreaktoren erstellt. Von besonderem Interesse ist dabei der Wärmeübergang von einer exothermen Reaktion als Wärmequelle auf eine endotherme Reaktion als Senke. Verbesserungen im Vergleich zu konventionellen Mikroreaktoren im Platten-Design wurden durch eine Mikro-Rohrbündel-Lösung erreicht. Diese sorgt für einen gleichmäßigen radialen Wärmedurchgang und schränkt dabei gleichzeitig den axialen Wärmeverlust ein. Wie bei konventionellen Mikroreaktoren wird auch hier der geringe Wirksamkeitsfaktor des Katalysators deutlich gesteigert. Bei der in dieser Arbeit entwickelten Lösung wird allerdings viel weniger Reaktormaterial eingesetzt. Durch die geringe (thermische) Masse werden nicht nur Regelbarkeit und Kaltstartverhalten verbessert, sondern auch die Materialkosten gesenkt. Auf der Prozess- sowie der Bauartebene wurden mehrere Verbesserungspotentiale identiﬁziert und patentrechtlich geschützt. So wurden beispielsweise rekuperative Hochtemperatur-Wärmeübertrager in die Mikroreaktorstruktur integriert. Um die strömungsdynamischen Simulationen zu validieren, wird ein Versuchsaufbau konstruiert und gefertigt. Dieser besteht aus einem Ein-Kanal-Mikroreaktor, dessen Katalysator-Beschichtung leicht zu wechseln ist (Mikroplant). Die Oxidation von Methan und Wasserstoff, sowie die Reformierung von Methan wird an Edelmetallen, wie Platin und Palladium, und Nickel untersucht und die Machbarkeit so prinzipiell gezeigt. Erste Prototypen wurden durch selektives Laserschmelzen gefertigt und eine Kostenschätzung erstellt.