TV CF8_2.5 Entwicklung, Integration und Betrieb einer 100 kW Ammoniak-Crackeranlage mit einem Gasmotor für Schiffsanwendungen

Abstract

Im Teilvorhaben wurde eine druckaufgeladene, vollautomatisierte und containerisierbare Ammoniak-Cracker-Anlage für das Antriebssystem eines Binnenschiffes entwickelt, aufgebaut und zur Integration mit dem Motor und weiterer Komponenten auf dem Testfeld des COIL bereitgestellt. Die Cracker-Anlage ist auf die Produktion eines Wasserstoff-Massenstroms von 4,5 kg/h (150 kW Wasserstoffleistung) ausgelegt und erfüllt die anwendungs- und motorseitigen Anforderungen hinsichtlich Druckniveau, Produktgastemperatur und Restammoniakgehalt. Ein zentrales Ergebnis des Teilvorhabens ist die Auswahl des Beheizungskonzepts zur Wärmebereitstellung für die endotherme Ammoniak-Crackingreaktion. Hierzu wurden elektrisch beheizte und heißgasbeheizte Konzepte ausgearbeitet und vergleichend bewertet. Für die vorliegende Anwendung wurde das elektrisch beheizte Konzept ausgewählt, da es Vorteile hinsichtlich Prozessgestaltung, Regelbarkeit und sicherheitstechnischer Umsetzung bietet. Ein weiteres wesentliches Ergebnis ist die Festlegung einer geeigneten Reaktorarchitektur für die Randbedingungen der Schiffsanwendung. Auf Basis der Katalysator- und Werkstoffbewertungen wurde ein Konzept mit elektrischem Strömungserhitzer, nachgeschalteter adiabater katalytischer Stufe und prozessinterner Wärmeintegration entwickelt. Die werkstoffseitige, thermische und mechanische Auslegung des Reaktormoduls erfolgte experimentell und simulationsgestützt unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen mit NH₃- und H₂-haltiger Atmosphäre, erhöhter Temperatur und Druckbetrieb. Für den Betrieb des Cracker-Moduls mit integriertem Reaktor und Wärmeübertrager und die Kopplung mit dem Motor wurde eine vollautomatisierte Gesamtanlage mit geeigneten prozesstechnischen Peripheriekomponenten sowie Automatisierungs- und Sicherheitstechnik entwickelt und aufgebaut. Die Anlagenentwicklung erfolgte unter Berücksichtigung relevanter Anforderungen unter anderem aus der Maschinen- und Druckgeräterichtlinie und wurde auf eine spätere Konformitätsbewertung vorbereitet. Die Cracker-Anlage wurde im ZBT-Labor aufgebaut, anschließend von einem Projektpartner containerisiert und auf dem COIL-Testfeld installiert. Damit steht die Cracker-Anlage für Einzeluntersuchungen sowie die gekoppelte Demonstration mit dem Ammoniak-Motor zur Verfügung. Aufgrund von Verzögerungen bei der Fertigstellung der Ammoniak-Infrastruktur des ZBT sowie des COIL-Testfelds konnten die Inbetriebnahme und Betrieb innerhalb der Projektlaufzeit nicht mehr durchgeführt werden. Zusätzlich wurde ein Multifunktionsteststand entwickelt und im ZBT-Labor aufgebaut, mit dem einzelne Komponenten einer Cracker-Anlage sowie deren Verschaltung bis hin zu einer vollständigen Cracker-Anlage bis ca. 150 kW Wasserstoffleistung experimentell untersucht werden können.