Komponentenentwicklung
Am IEK-14 wurden in den vergangenen Jahren mehrere Reformergenerationen für Mitteldestillate entwickelt. Die Reformer sind in der Lage, aus konventionellen Dieselkraftstoffen eine Wasserstoffmenge zu produzieren, die für Brennstoffzellenleistungen zwischen 3 und 50 kWe ausreicht. Bevorzugtes Verfahren ist dabei die sogenannte autotherme Reformierung.
Um die Anforderungen an die Strömungs- und Temperaturverhältnisse in der Mischkammer des Reformers besser verstehen und vorhersagen zu können, werden in Jülich strömungsdynamische Modellierungen (engl. Computational Fluid Dynamics, CFD) durchgeführt. Diese Methodik wurde über die Jahre kontinuierlich weiter entwickelt. Heute werden nicht nur die Mischkammer der Reformer, sondern der komplette Reformer mit allen Wechselwirkungen zwischen Reaktion, Wärmerückgewinnung und Gemischbildung stationär und dynamisch mit Hilfe der CFD-Modellierung auf Hochleistungsrechnern (engl. High Performance Computing, HPC) simuliert. Bei neuen Reaktorkonzepten erfolgt eine Verifikation in Glasmodellen mit Ersatzflüssigkeiten im Rahmen der Ähnlichkeitstheorie. Die Konstruktion erfolgt mit kommerziellen CAD-Programmen in Anlehnung an die AD 2000 für Druckapparate. Weitere Schritte der Komponentenentwicklung sind die TÜV-Vorprüfung, die Materialbeschaffung unter Beachtung der Existenz notwendiger Materialzeugnisse, die Fertigung in der Zentralwerkstatt des Forschungszentrums Jülich (ZEA-1), die Erstellung von Unterlagen zur Konformitätserklärung und nicht zuletzt die TÜV Prüfung der Druckbehälter.
Das CFD basierte Vorgehen bei der Reaktorauslegung wurde auch auf die katalytische Verbrennung sowie die Wasser-Gas-Shiftreaktion übertragen. Dabei entstanden ebenfalls mehrere Reaktorgenerationen für den katalytischen Brenner (3-10 kWe-Leistungsklasse) sowie für den Wasser-Gas-Shiftreaktor (3-50 kWe-Leistungsklasse). Die Methodik zur Reaktorentwicklung für die Brenngaserzeugung wird derzeit auf die Reaktoren zur Kraftstoffsynthese übertragen.
Um den Anforderungen mobiler Bordstromversorgungssysteme gerecht zu werden, liegt der aktuelle Fokus der Reaktortechnik bei der Entwicklung von kompakten und leichten Systemen. Es werden multifunktionelle Reaktorkonzepte entwickelt, um Systemaufgaben wie Start und Wärmeaustausch in die Reaktoren zu integrieren. Der aktuelle Reformer und der Wasser-Gas-Shiftreaktor beinhalten elektrische Heizleiter, damit das System autark gestartet werden kann. Alle Reaktoren verfügen über integrierte Wärmeübertrager, um die Prozesswärme zur Eduktkonditionierung zurückzugewinnen.
Im Zusammenhang mit der multifunktionalen Reaktorbauweise ist es wichtig, kompakte und leichte Reaktoren zu entwickeln. Neben der Optimierung der Reaktoren mit Hilfe von CFD-Simulationen muss auch das Reaktorgewicht optimiert werden. Die dafür notwendigen Festigkeitsberechnungen erfolgen basierend auf der Finite-Element-Methode (FEM) mit ANSYS® Mechanical. Die Vergleichsspannungen können hiermit linearelastisch-idealplastisch mit einem Volumen- oder Schalenmodell berechnet werden, wobei die Schalenmodelle eine bessere und genauere Methode anbieten, um die dünnwandigen Bauteile zu berechnen.
Ein weiterer Fokus der Reaktortechnik liegt auf der Weiterentwicklung der Forschungsprototypen für die industrielle Fertigung. Im Rahmen eines öffentlich geförderten Projektes (ADELHEID) wurden die Reaktoren zur Reformierung in die industrielle Fertigung übertragen. In Zusammenarbeit mit der Fa. Presswerk Struthütten wurde der Reformer durch umformende Fertigungsverfahren kosten- und produktionstechnisch optimiert. Des Weiteren werden Umformteile aus der Industrie, die eine kostengünstige Massenfertigung ermöglichen, auch in weitere chemische Reaktoren implementiert. Der Einsatz des Verfahrens der additiven Fertigung für hochintegrierte multifunktionelle Reaktoren wird in Zusammenarbeit mit ZEA-1 untersucht.