Diesel und Kerosin als Treibstoff für Brennstoffzellen
Dank Supercomputer-Simulationen liefert ein neuer Reformer aus dem Forschungszentrum Jülich zuverlässig Wasserstoff zur Stromerzeugung
Ohne Schadstoffe erzeugen Brennstoffzellen effizient und zuverlässig Strom. Aber als Treibstoff benötigen sie Wasserstoffgas, das wegen der fehlenden Infrastruktur noch nicht flächendeckend zur Verfügung gestellt werden kann. Entwickler des Forschungszentrums Jülich wollen deshalb die nahezu überall verfügbaren Treibstoffe Diesel oder Kerosin nutzen. Mit einem neuen Reformer, der fast keine Alterungserscheinungen mehr aufweist, kommen sie diesem Ziel nun einen großen Schritt näher. Jülicher Supercomputer halfen entscheidend auf dem Weg zur Anwendungsreife.
"Über 2000 Betriebsstunden lang gewinnt der neue Reformer effizient wasserstoffhaltiges Gas aus Diesel oder Kerosin", sagt Prof. Dr.-Ing Ralf Peters vom Jülicher Institut für Energieforschung. Dieses Gas kann sowohl von Hochtemperatur- als auch von Niedertemperatur-Brennstoffzellen für die Stromgewinnung im Kilowattbereich genutzt werden. Mit diesem Erfolg steht das Team um Peters mit an der Weltspitze und rechnet mit ersten einsatzfähigen Systemen in etwa drei Jahren.
Sehr vorteilhaft wären solche Systeme aus Reformer und Brennstoffzelle in Transportmitteln, die sowieso schon mit Diesel oder Kerosin betankt werden. Kühlaggregate in LKW oder die Bordelektronik auf Segelyachten könnten so ohne laufenden Motor und ohne Belastung der Batterien betrieben werden. Für die Stromversorgung in Flugzeugen kommt noch ein weiterer Vorteil hinzu. Denn die Brennstoffzellen setzen beim Betrieb reinstes Wasser frei. "Damit lässt sich der Großteil des zu transportierenden Wassers und damit Tankgewicht einsparen", sagt Peters. Das Startgewicht eines Flugzeugs und der Kerosindurst der Düsentriebwerke werden deutlich reduziert.
Der Schlüssel zu diesem Erfolg liegt in dem geschickten Design des Reformers. In seinem Innern befindet sich ein Wabenkörper, der mit fein verteilten Edelmetallpartikeln beschichtet ist. Er dient als Katalysator und zersetzt die Kohlenwasserstoffe im Diesel oder Kerosin zusammen mit Luft und Wasserdampf in die Gase Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und den begehrten Wasserstoff. "Es darf gar keine flüssigen Reste geben", erklärt Peters die wichtigste Bedingung für hohe Effizienz und Langlebigkeit des Reformers. Genau das hat nun geklappt. Denn selbst nach 2000 Stunden liegt der Umsatz dieser Katalysereaktion noch bei über 99 Prozent.
Für den Sprung in der Betriebsdauer von vorher 200 Stunden auf den zehnfachen Wert ist die perfekte Vermischung vom verdampften Diesel mit heißem Wasserdampf und Luft verantwortlich. Erreicht wird dies durch möglichst intensive Strömungsturbulenzen in einer vorgeschalteten Mischkammer. Mit der enormen Rechenleistung der Jülicher Supercomputer simulierten Peters und Kollegen das Mischungsverhalten der Gase. Dabei variierten sie zahlreiche Parameter von der Geometrie der Mischkammer bis hin zu Temperatur und Druck der eingespeisten Gase.
"Der Bauaufwand für den Reformer konnte durch diese Simulationen sehr stark reduziert werden", sagt Peters. Ohne die Hilfe des Supercomputers hätten die Entwickler viele unterschiedlich gestaltete Reformer langwierig durchtesten müssen. Für die Simulationen dagegen zerlegte der Rechner den Reformer virtuell in drei Millionen Abschnitte. So ließ sich selbst das komplexe und turbulente Strömungsverhalten der Gase berechnen. Nach nur jeweils drei bis acht Stunden Rechenzeit lag die Vorhersage für eine Variante bereit. Für ein Reformerdesign wurden in der Regel drei bis sieben Varianten berechnet, beim letzten Design aber ganze zwanzig. Insgesamt wurden so ab 2004 für die strömungstechnischen Analysen der Reformierungsapparate über 8000 Stunden Rechenzeit benötigt. "Dieses Ergebnis zeigt, wie Supercomputer selbst komplexe Probleme in den Ingenieurwissenschaften lösen können", sagt Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert, Leiter des Jülich Supercomputing Centre.
In weiteren Arbeitsschritten werden Ralf Peters und Kollegen erste Brennstoffzellen mit ihrem langlebigen Reformer verknüpfen. Auf dem Weg zur Anwendungsreife für diese elegante Stromgewinnung aus Diesel und Kerosin hat sich das Forschungszentrum bereits ein Patent auf den Reformer gesichert.
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