TV CF12_1.3 Entwicklung, Integration und Betrieb von zwei 150 kW Ammoniak-Crackeranlagen mit einem Gasmotor für die stationäre Strom- und Wärmeerzeugung

Abstract

Im Rahmen des Teilvorhabens wurde eine Ammoniak-Cracker-Anlage zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Gasgemischs für die Kopplung mit einem 1 MW-Gasmotor erfolgreich entwickelt, aufgebaut und in wesentlichen Teilen validiert. Die erzielten Ergebnisse umfassen sowohl die verfahrenstechnische Auslegung als auch die konstruktive Umsetzung und sicherheitstechnische Integration der Gesamtanlage. Auf Basis thermodynamischer Analysen und experimenteller Untersuchungen wurde ein direkt elektrisch beheiztes Reaktorkonzept ausgewählt und umgesetzt. Dieses Konzept ermöglicht eine gezielte Wärmeeinbringung direkt in die Katalysatorschüttung und bietet Vorteile hinsichtlich Dynamik, Regelbarkeit und Anlagenkomplexität gegenüber alternativen Konzepten. Durch experimentelle Untersuchungen verschiedener Nickel- und Ruthenium-basierter Katalysatoren wurde ein Nickel-Katalysator mit hoher Aktivität und Stabilität identifiziert. Dieser erreicht unter relevanten Betriebsbedingungen Ammoniakumsätze von ≥ 90 % und zeigt auch im Langzeitbetrieb bis 1000 h keine signifikante Degradation. Das entwickelte Cracker-Modul umfasst einen direkt beheizten Festbettreaktor, einen Edukt-Produkt-Wärmeübertrager sowie eine umfassende Sensorik zur Prozessüberwachung. Die Anlage ist für einen Ammoniak-Massenstrom von ca. 28 kg/h ausgelegt und erreicht eine Wasserstoffleistung von 150 kW bei Einhaltung der geforderten Produktgasqualität. Die thermodynamische Systemauslegung wurde durch Simulationen gestützt, die einen stabilen Betrieb im relevanten Lastbereich bestätigen. Neben dem Cracker-Modul wurde eine vollständige Cracker-Anlage entwickelt und aufgebaut, die die erforderlichen Teilsysteme Medienversorgung, Produktgasregelstrecke und Gasentsorgung, Sicherheits- und Lüftungssysteme, Automatisierung und Prozessleittechnik umfasst. Ein mehrstufiges Sicherheitskonzept wurde unter Berücksichtigung relevanter Normen und Richtlinien entwickelt und implementiert. Die Anlage wurde mit einer industriellen Steuerungs- und Automatisierungsplattform ausgestattet, die ca. 300 I/O-Signale verarbeitet, neben der Ablaufsteuerung mehrere Regelkreise (z.B. Temperatur-, Druck- und Kühlregelung) und eine sicherheitsgerichtete Architektur aufweist. Ein Software-in-the-Loop-Test ermöglichte die umfassende Validierung der Steuerungslogik vor der Inbetriebnahme. Die Cracker-Anlage ist für die Integration und den Betrieb in einem 20-Fuß-Container ausgelegt und erfüllt damit alle Anforderungen an die Transportierbarkeit und die Aufstellung auf dem Testfeld des COIL. Aufgrund externer Verzögerungen konnte die warme Inbetriebnahme und der Betrieb der Cracker-Anlage im ZBT-Labor sowie der gekoppelte Betrieb mit dem Gasmotor auf dem COIL-Testfeld im Projektzeitraum nicht durchgeführt werden. Die Anlage wurde jedoch vollständig aufgebaut und im Rahmen der kalten Inbetriebnahme erfolgreich elektrisch, steuerungstechnisch und sicherheitstechnisch geprüft. Des Weiteren wurden zwei spezialisierte Teststände mit umfangreicher Gasanalytik zur Erweiterung einer leistungsfähigen experimentellen Infrastruktur am ZBT entwickelt und aufgebaut. Der Katalysatorteststand ermöglicht die systematische Untersuchung von Ammoniak-Cracking-Katalysatoren und der Multifunktionsteststand die flexible Untersuchung einzelner Komponenten von Cracker-Reaktoren, -Modulen und -Anlagen auch hinsichtlich Betriebsstrategien, Regelungskonzepten, Lebensdauer und Sicherheitstechnik. Parallel zum Aufbau der Teststände wurde auch die Forschungsinfrastruktur des ZBT durch ein containerbasiertes Ammoniak-Tanklager zur Bereitstellung größerer Ammoniak-Mengen sowie einen Gaswäscher zur Behandlung ammoniakhaltiger Produktgase erweitert. Während die Versorgung der Teststände und der Cracker-Anlage mit Ammoniak durch das Tanklager technisch und sicherheitstechnisch zuverlässig realisiert werden konnte, zeigte sich bei der Abführung und Behandlung der anfallenden ammoniakhaltigen Produktgase ein erhöhter technischer Anpassungsbedarf, so dass die vorgesehene Gaswäscherlösung im Projektzeitraum nicht in einen stabilen und genehmigungskonformen Betriebszustand überführt werden konnte. Nach geplanter Fertigstellung dieser Infrastrukturerweiterung ist erstmals der sichere Umgang mit größeren Ammoniakmengen im Labor- und Technikumsmaßstab möglich, wodurch die Grundlage für umfangreiche experimentelle Untersuchungen in Testständen, den Betrieb komplexer Versuchsanlagen und zukünftige Demonstrationsprojekte geschaffen wurde.