Wasserstoff für Brennstoffzellen aus dem Eisenschwammprozeß

Der künftige Einsatz von Brennstoffzellen hängt von einer kostengünstigen Bereitstellung von Wasserstoff als wichtigstem Brennstoff ab. Gegenwärtig wird dieser Wasserstoff hauptsächlich aus Erdgas gewonnen. weiches durch Wasserdampfreformierung zunächst zu Synthesegas umgesetzt wird. Das darin enthaltene Kohlenmonoxid muß anschließend in einer katalytischen Wassergasshiftreaktion zu Wasserstoff und CO 2 konvertiert werden. Der Eisenschwammprozeß als kostengünstige Alternative bietet einerseits die MögIichkeit, die Energie solcher Synthesegase in Form des reduzierten Oxids (als Wüstit oder Eisenschwamm) zu speichern, gleichzeitig aber auch eine Reformierung und Konditionierung einer Vielfalt von Industrie- und Biomassegasen zu reinem Wasserstoff durchzuführen. Auf diese Weise kann Wasserstoff aus fossilen wie regenerativen Quellen in ein und derselben Anlage produziert werden. weshalb der Eisenschwammprozeß als echte Übergangstechnologie von einer fossilen zu einer regenerativen Energiewirtschaft angesehen werden kann. Als Kontaktmassen sind bisher industrielle sowie selbst hergestellte Hämatitpellets verwendet worden. Während in vorangegangenen Projekten die prinzipielle Anwendbarkeit des Eisenschwammprozesses mit variablen Reduktionsgasmischungen und Kontaktmassen untersucht wurde. soll der Prozeß nun unter realitätsnahen Bedingungen erforscht und optimiert werden, um sämtliche für ein Scale-Up benötigten Daten zu erhalten. Die Optimierung des Redoxprozesses setzt verläßliche Meßdaten voraus. die ab jetzt durch den Einsatz eines im Rahmen des Vorgängerprojekts finanzierten und selbst gebauten Laborreaktors erhalten werden können. Im Gegensatz zum bisher verwendeten kleinen Rohrofen gestattet dieser neue Reaktor die on-line Erfassung des Reaktionsumsatzes über permanente Wägung, weiters eine on-line Temperaturkontrolle und Gasanalyse; er erlaubt den Einsatz von pelletiertem oder granuliertem Erzmaterial in repräsentativen Mengen bis zu 6 kg und kann unter einstellbaren, definierten Strömungsverhältnissen gefahren werden. Die Ergebnisse von Untersuchungen im Laborreaktor stellen die Grundlagen für die Planung und Konstruktion einer größeren Anlage sowie für energetische und ökonomische Bilanzrechnungen dar. Der Vergleich großtechnisch am Markt befindlicher sowie selbst hergestellter Eisenerzpellets bezüglich Reaktivität und Zyklenbeständigkeit ergab erfolgreiche Ansätze für Verbesserungen des Reaktionsumsatzes durch Modifikation der Zusammensetzung und des Pelletierprozesses. Da ein kostengünstiger und langlebiger Eisenschwammkatalysator für die praktische Realisierbarkeit des Prozesses entscheidend ist, soll eine systematische Materialoptimierung, einerseits auf Basis der Verbesserung kommerzieller Pellets durch Dotation mit diversen Katalysatoren, andererseits durch Entwicklung von Optimalpellets im Labor, durchgeführt werden. Dabei sollen neben der chemischen Zusammensetzung auch die Parameter beim Herstellungsprozeß (Mischung, Pelletiervorgang, Kalzinierung) optimiert werden. Ein angestrebtes Ziel ist es. für individuelle Anwendungen (z.B. Gaszusammensetzungen) das geeignete Material zu entwickeln. Die Materialoptimierung erfordert die Bestimmung des Zyklenverhaltens im Laborreaktor sowie eine umfangreiche Materialcharakterisierung, die immer von TGA-Analysen pulverisierten Materials begleitet sein wird. Die TGA liefert die Daten der chemischen Reaktionskinetik und erlaubt Rückschlüsse auf zugrundeliegende Reaktionsmechanismen. Der Vergleich der im Laborreaktor und aus der TGA erhaltenen Kinetik bildet die Basis zur Quantifizierung von Diffusionsprozessen. Die Verwendbarkeit verschiedener Reduktionsgase sowie der Einfluß der in Biomassegasen (z.B. aus Holz- und Rindenvergasung) immer vorhandenen Verunreinigungen (Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Halogenide) soll unter realitätsnahen Bedingungen untersucht werden, um sie mit thermodynamisch möglichen Umsätzen vergleichen zu können. mit dem Ziel, die realen Grenzen der einsetzbaren Gaszusammensetzungen angeben zu können. Schließlich soll der Prozeß selbst unter Variation aller wichtiger Parameter (Temperatur. Gasfluß, Druck etc.) optimiert werden. Die Daten aus dem Laborreaktor bilden die Grundlage für die Erstellung von Energie- und Ökobilanzen sowie für ein im Rahmen des übergeordneten EU-Projekts ..Solid Biomass Gasification for Fuel Cells" auszuarbeitenden Systemkonzepts.