Projekt 20308/01

Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Nutzung niederkalorischer Gase (Schwachgase) in Gasmotoren

Projektdurchführung

Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT)
Osterfelder Str. 3
46047 Oberhausen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Fraunhofer UMSICHT entwickelt ein neues Verfahren zur Sauerstoffanreicherung von Luft. Ziel ist es, niederkalorische Gase in Verbrennungsprozessen einzusetzen, die bisher auf Grund der sich einstellenden Verbrennungseigenschaften in Gasmotoren nicht einsetzbar waren. Durch das neue Verfahren können die Inertgasanteile der Brenngas-Luft-Gemische reduziert werden. Damit können diese Gase (z. B. Gas aus auslaufenden Deponien) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden und müssen nicht mehr ungenutzt abgefackelt werden. Die so erreichte optimale Nutzung von Ressourcen, Steigerung der Brennstoffeffizienz und geringere Emissionen sind ein entscheidender Beitrag zur Schonung der Umwelt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes sind Anlagenkonzepte und Auslegungsgrundlagen entwickelt worden, um Produktionsanlagen für Sauerstoff angereicherte Luft konzipieren zu können.
Durch eine Potenzialanalyse sind Anwendungsgebiete für das neue Verfahren identifiziert worden. Es wurde eine Literatur- und Patentrecherche durchgeführt. Der Stand der Technik zur Gastrennung in Hinblick auf die klassischen Trennverfahren wurde aufgezeigt. Die Verfahren wurden kurz dargestellt. Vor- und Nachteile der Verfahren wurden aufgezeigt. Der neue verfahrenstechnische Ansatz, mit Sauerstoff angereicherte Luft für Verbrennungsvorgänge bereitzustellen, wurde detailliert dargestellt.
Um Randbedingungen für die wirtschaftliche Einsetzbarkeit des neuen Verfahrens aufzuzeigen, sind umfangreichen Messungen durchgeführt worden. Dazu wurde ein spezieller Versuchsaufbau konzipiert. Es können so unterschiedliche Volumenströme und Druckniveaus eingestellt werden. Die Dokumentation erfolgte mit einer automatisierten Messwerterfassung. Für einen typischen Anwendungsfall sind die geforderten Volumenströme bestimmt worden (BHKW 125 kW elektrischer Leistung). Mit Hilfe der Auslegungsgrundlagen zu Komponenten, Baugruppen, Verdichtergröße und Leistung, Zubehör, Rohrleitung, Modulanzahl wurden die Kosten der einzelnen Bestandteile einer Anlage in eine Gesamtbetrachtung zusammengefasst. Die Gegenüberstellung und Übertragung auf den Datenbestand der durchgeführten Messreihen ermöglicht so eine Bestimmung des optimalen Betriebspunktes unter energetischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten (Optimum für Konzepterstellung einer Pilotanlage). Abschließend wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Bereits mit O2-Gehalten von 25 % sind deutliche Prozessverbesserungen mit angereicherter Luft zu erzielen. Auf Grund der ersten Erfahrungen wurde ein neuer verfahrenstechnischer Ansatz formuliert. Hintergrund war die energetische Optimierung des Verfahrens, d.h. es sind möglichst geringe Druckniveaus für einen geringen Energieeinsatz maßgeblich einzuhalten:
Die Luft auf der Feedseite wird mit einem Druck von 1 bis 3 bar absolut Druck zugeführt. Das Druckniveau auf der Retentatseite beträgt 1 bis 2,5 bar absolut. Der mit Sauerstoff angereicherte Permeat-Strom wurde auf ein Druckniveau von 0,4 bis 1,2 bar absolut eingestellt. In den ersten Versuchen haben sich neue, bisher auch den Herstellern von Membranen in dieser Form nicht bekannte Ergebnisse herausgestellt. Bestimmende Einflussgrößen sind die aufgezeigten Druckniveaus und die damit verbundenen Volumenströme. Eine Absenkung des Druckniveaus auf der Permeat-Seite bewirkt eine Verbesserung des Trennprozesses. Der O2 Gehalt erhöht sich durch die Vergrößerung der transmembranen Druckdifferenz. Gleichzeitig steigt der Volumenstrom auf der Permeat Seite. Diese beiden Effekte führen zu einer Verbesserung der Trennleistung.
In Gasmotoren (BHKWs) kann derzeit Deponiegas nur bei mindestens 40 % Methan-Anteil technisch genutzt werden. Der Ansatz, die Randbedingungen der zugeführten Verbrennungsluft zu variieren, führt zu folgenden Auswirkungen auf die Betriebsweise des Gasmotors:
§ Verschiebung der Inertgasanteile bewirkt eine Verringerung der Verbrennungsluftmenge; Änderung der Verbrennungstemperatur; Luftverhältnis von l =1,7; Erdgasmotor verschiebt sich zu Betriebsweisen mit Luftverhältnis l =1,3; Veränderung der Brenngeschwindigkeiten
Berechnungen zeigen: Die Betriebsweise von Deponiegasmotoren mit bis zu 30 % Sauerstoff angereicherter Luft ermöglichen es, Brenngase mit geringeren Methangehalten < 40 %, d.h. geringerer Methanzahl zu betreiben. Die Grenzen, die dem bisherigen Einsatz gesetzt sind, können auf Grund der neu einzustellenden Randbedingungen in Richtung von Methangehalten von 25 % verschoben werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Mit dem neuen verfahrenstechnischen Lösungskonzept werden modular aufgebaute Membranmodule zu einem Gesamtanlagenkonzept zusammengeführt. Insbesondere die Anpassung an den Anwendungsfall der gasmotorischen Nutzung in BHKWs wurde detailliert untersucht.
Bereits im Juni 2002 ist ein Verfahrenspatent beim Deutschen Patentamt eingereicht worden. Eine abschließende Stellungnahme liegt bisher nicht vor. Des Weiteren ist ein PCT-Patentverfahren eingeleitet worden. Veröffentlichungen sind bisher nicht initiiert worden.
Fraunhofer UMSICHT versucht derzeit wegen der positiven Erfahrungen weitere Anschlussprojekte durchzuführen. Es ergaben sich viele unterschiedliche Kontakte zu anderen Anwendungsbereichen - Kläranlagen, Stahlwerken Thema Verbrennungsluftbereitstellung für Warmhalteöfen und Luftzerlegungsanlagen. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen in veränderten Anwendungen getestet werden. Es werden durch die neue Technik Einsparungen bei dem Energieeinsatz erwartet. Erste Erfahrungen soll dazu eine Testanlage bis zum Jahresende 2003 erbringen.


Fazit

Nach den bisherigen Recherchen sind kommerzielle Anlagen im Bereich der Sauerstoffanreicherung von Luft technisch nicht ausgeführt worden oder zu erwerben. In den Versuchsreihen wurde überprüft, welche Randbedingungen und Parameter für einen optimalen Betrieb des neuen Verfahrens zur Sauerstoff-anreicherung einzuhalten sind. Mit Hilfe der reproduzierbaren Versuchsergebnisse sind Optimierungspotenziale aufgezeigt worden. Mit dem innovativen Lösungsansatz, den Sauerstoff angereicherten Permeat-Volumenstrom gezielt abzusaugen und das Druckniveau abzusenken, ergibt sich eine Verbesserung des Trennprozesses. Dadurch wird es möglich, den Feedvolumenstrom zu optimieren. Auf Grund des geringeren Feedvolumenstromes, der noch zu verdichten ist, ist energetisch ein deutlich günstigeres Verfahren entwickelt worden.
Das Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) garantiert feste Vergütungssätze für Strom aus Deponiegasen und da die Anlagentechnik auf den Deponien oft vorhanden ist, wird mit Hilfe des neuen Verfahrens die wirtschaftliche Betriebsweise weiterhin ermöglicht oder stillgelegte Anlagen können wieder in Betrieb genommen werden. Durch die Aufweitung des Einsatzbereiches der technischen Nutzung geringerer Gasqualitäten wird ein entscheidender Beitrag zur Umweltschonung geleistet. Durch die Nutzung dieser Gase zur Strom- und Wärmeerzeugung findet eine aktive Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes statt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass mit dem neuen einstufigen Verfahren mit Sauerstoff angereicherte Volumenströme in der Qualität bis ca. 30 % für Verbrennungsprozesse bereitgestellt werden können.