DE10355552A1

DE10355552A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material

Info

Publication number: DE10355552A1
Application number: DE10355552A
Authority: DE
Inventors: Christian Friedrich; Rainer Dr. Tamme
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Um ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, bei dem gasförmige Vergasungsprodukte einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul anodenseitig zugeführt werden und Oxidatorgas dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul kathodenseitig zugeführt wird, zu schaffen, welches einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist, wird vorgeschlagen, daß die Vergasung des kohlenstoffhaltigen Materials mehrstufig durchgeführt wird mit einer Oxidationsstufe, in welcher unter Sauerstoffzufuhr Zwischenprodukte der Vergasung oxidiert werden, und daß der Oxidationsstufe Kathodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, bei dem gasförmige Vergasungsprodukte einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul anodenseitig zugeführt werden und Oxidatorgas dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul kathodenseitig zugeführt wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, umfassend mindestens eine Vergasungsstrecke und ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul, welchem gasförmige Vergasungsprodukte als Brennstoff anodenseitig zuführbar sind und Oxidatorgas kathodenseitig zuführbar ist.
Über die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material wie Biomasse, Kohle, biogenen Abfallstoffen oder kohlenstoffhaltigen Reststoffen läßt sich Brennstoff für Hochtemperatur-Brennstoffzellen aus regenerativen Primärenergieträgern herstellen. Da bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen das Problem der Kohlenmonoxid-Vergiftung des Elektrolyten nicht auftritt, muß keine CO-Feinreinigung des gasförmigen Brennstoffs durchgeführt werden; es läßt sich dann elektrischer Strom aus kohlenstoffhaltigen Materialien mit hohem Wirkungsgrad herstellen, wobei die Stromerzeugung insbesondere dezentral durchführbar ist.

Aus der WO 02/065564 A2 ist es im Zusammenhang mit allothermer Vergasung bekannt, Anodenrestgas in einen Vergasungsreaktor einzukoppeln.

Die nicht vorveröffentlichte deutsche Anmeldung Nr. 103 03 486.2 vom 24. Januar 2003 offenbart ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie aus der autothermen Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, bei dem als Vergasungsmittel für die autotherme Vergasung Kathodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls und/oder mittels Kathodengas hergestelltes Prozeßgas eingesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren und die eingangs genannte Anlage so zu verbessern, daß diese einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vergasung des kohlenstoffhaltigen Materials mehrstufig durchgeführt wird mit einer Oxidationsstufe, in welcher unter Sauerstoffzufuhr Zwischenprodukte der Vergasung oxidiert werden, und daß der Oxidationsstufe Kathodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls zugeführt wird.

Die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material ist ein komplexer Prozeß, der mehrere Phasen umfaßt. Diese Phasen unterscheiden sich in der Menge des beteiligten Sauerstoffs, den jeweils stattfindenden physikalischen und chemischen Reaktionen und dem Temperaturniveau. Insbesondere können die Phasen Trocknung, Pyrolyse, Reduktion und Oxidation unterschieden werden. Bei der Reduktion (dem eigentlichen Vergasungsprozeß) werden Brenngase erzeugt. Während einer Pyrolysephase entstandene gasförmige, flüssige oder feste Produkte reagieren unter Wärmeeinwirkung mit Sauerstoff, welcher in Form von Luft, Kohlendioxid oder Wasserdampf zugeführt werden kann. Es wird dabei während der Pyrolyse zurückgebliebener Pyrolysekoks in brennbare Gase und dabei hauptsächlich in Kohlenmonoxid aufoxidiert, wozu Sauerstoffzufuhr notwendig ist. Die resultierenden Brenngase haben die Hauptbestandteile Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan, Wasserdampf, wenn Luft als Vergasungsmittel zugeführt wird, Stickstoff. Die oben genannten Phasen können zeitlich nebeneinander oder nacheinander stattfinden. Insbesondere kann Reduktion und Oxidation zeitgleich oder zeitlich versetzt stattfinden.

In einer Oxidationsphase werden im Anschluß an Pyrolyse und Vergasung die entstandenen Produkte unter Wärmefreisetzung und Sauerstoffzufuhr im wesentlichen vollständig oxidiert. Es bleiben dann nur noch Kohlendioxid und Wasser übrig. Diese Umsetzung ist für die Vergasung des kohlenstoffhaltigen Materials unerwünscht, da sie den Heizwert des entstehenden Produktgases stark herabsetzt, wobei sie jedoch nicht vollständig verhindert werden kann.

Für die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material ist es vorteilhaft, wenn sie mehrstufig durchgeführt wird und mindestens die Reduktionsstufe und die Oxidationsstufe räumlich getrennt werden. Dadurch lassen sich die einzelnen Stufen unabhängig voneinander optimieren. Es existieren unterschiedliche Konzepte für die mehrstufige Vergasung, wie beispielsweise Vergasungskonzepte gemäß dem FICFB-Verfahren (FICFB – Fast Internally Circulating Fluidized-Bed; siehe dazu den Artikel von G. Schuster et al. in Bioresource Technology 77 (2001), Seiten 71 bis 79). Es ist auch ein kombinierter Gegenstrom-Gleichstrom-Vergaser mit mehrstufiger Vergasung oder ein Vergaser mit mehrstufiger Vergasungsmittelzuführung bekannt.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Oxidationsstufe Kathoden(rest)-gas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls zugeführt wird. Da die Hochtemperatur-Brennstoffzelle bei hohem Temperaturen arbeitet, hat das Kathodenrest-)gas beim Verlassen des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls eine entsprechend hohe Temperatur, die bis zu 1000 °C betragen kann oder sogar höher liegen kann. Weiterhin weist das Kathodengas einen hohen Sauerstoffgehalt auf, da es sich bei ihm im wesentlichen um nicht verbrauchtes Oxidatorgas handelt. Wird beispielsweise als Oxidatorgas Luft eingesetzt, dann hat das Kathodengas einen Sauerstoffgehalt in der Größenordnung zwischen 10 % und 18 %. Dieses heiße sauerstoffreiche Kathodengas kann dann als Oxidationsmittel für die Oxidationsstufe eingesetzt werden, das heißt als Oxidator in einer Verbrennungszone der Oxidatorstufe.

Es muß dann weniger Oxidationsmittel für die Oxidationsstufe vorgewärmt werden; beispielsweise ist die Luftmenge, die vorgewärmt werden muß, geringer. Je nach gewähltem Betriebspunkt ist es sogar mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, auf eine separate Einkopplung von Oxidationsmittel in die Oxidationsstufe zu verzichten. Der Aufwand für die Vorwärmung ist folglich geringer. Beispielsweise lassen sich Wärmetaucher kostengünstiger und kompakter ausbilden, da weniger Wärmeübertragungsflächen notwendig sind.

Es ist sogar möglich, die Vorwärmung von Oxidatorgas für das Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul vollständig von der Sauerstoffzufuhr zu der Oxidationsstufe zu entkoppeln. Dadurch ist der regelungstechnische und prozeßtechnische Aufwand für das Verfahren reduziert. Die Menge an Oxidatorgas, welche zugeführt werden muß, ist dann allein abhängig vom Betriebsverhalten der Brennstoffzellen des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls und es kann eine Optimierung ohne Berücksichtigung der Vergasungsstrecke durchgeführt werden.

Es lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens höhere Systemwirkungsgrade erzielen, wobei eine Steigerung bis auf ca. 60 % Systemwirkungsgrad nachgewiesen wurde. Es läßt sich dann bei gleicher elektrischer Leistung des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls kohlenstoffhaltiges Material einsparen bzw. eine größere Strommenge bei der gleichen Menge an kohlenstoffhaltigem Material erzielen.

Es lassen sich auch höhere Umsatzraten bei der Oxidation erzielen, da Kathodengas auf einem hohen Temperaturniveau der Oxidationsstufe zugeführt wird. Ein entsprechender Reaktor, in dem die Oxidationsstufe stattfindet, läßt sich dadurch kompakter ausbilden.

Auch sind die Verluste bei der Wärmeübertragung verringert bzw. eliminiert, da insbesondere der Anteil der indirekten Wärmeeinkopplung für die Sauerstoffzufuhr zu der Oxidationsstufe verringert ist oder sogar eliminiert ist.

Das Kathodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls ist vorzugsweise eine Sauerstoffquelle für die Oxidationsstufe der Vergasung. Dieses Kathoden(rest-)gas weist einen hohen Sauerstoffgehalt auf und befindet sich auf einem hohen Temperaturniveau.

Es kann vorgesehen sein, daß das Kathodengas die einzige Sauerstoffquelle für die Oxidationsstufe ist. Dadurch muß beispielsweise keine Luftvorwärmung für die Oxidationsstufe vorgesehen werden, wenn Luftsauerstoff die Sauerstoffquelle für die Oxidationsstufe ist. Dadurch ist der konstruktive Aufwand für eine entsprechende Anlage erniedrigt. Weiterhin läßt sich die Luftaufheizung und Luftzuführung mit Luft als Oxidatorgas bezüglich des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls optimieren.

Es ist auch möglich, daß der Oxidationsstufe zusätzlich zum Kathodengas Sauerstoff zugeführt wird, wobei der Sauerstoff insbesondere in der Form von aufgeheiztem Oxidatorgas, welches für das Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul vorgesehen ist, zugeführt wird. Beispielsweise wird ein Teilstrom an aufgeheiztem Oxidatorgas abgezweigt und der Oxidationsstufe zugeführt. Es läßt sich über die Menge des zusätzlich zugeführten Oxidatorgases ein Betriebspunkt einstellen.

Es kann vorgesehen sein, daß der Sauerstoff in Form von vorgewärmter Luft zugeführt wird, wobei die vorgewärmte Luft auch als Oxidatorgas für das Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul dient.

Günstig ist es, wenn ein Kathodengas-Teilstrom von einer Kathodengasabführung des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls abgezweigt wird und der Oxidationsstufe zugeführt wird. Ein Teil des Kathodengases läßt sich dann mit Anodengas in einem Nachbrenner verbrennen, um einen Wärmetauscher zu heizen, über welchen wiederum Oxidatorgas wie Luft aufheizbar ist. Der abgezweigte Kathodengas-Teilstrom wird als Oxidationsmittel für die Oxidationsstufe genutzt.

Insbesondere wird dann der Kathodengas-Teilstrom einem Nachbrenner vorgeschaltet abgezweigt.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul Oxidatorgas im Überschuß zugeführt wird. Dadurch ist das Kathodengas sauerstoffreich, so daß es vorteilhaft als Oxidationsmittel für die Oxidationsstufe eingesetzt werden kann.

Es ist günstig, wenn zusätzlich oder alternativ Anoden(rest)gas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls einer Reduktionsstufe der Vergasung zugeführt wird. In der Regel wird nicht der gesamte dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul zugeführte Brennstoff umgesetzt. In dem Anoden(rest-)gas ist Brennstoff enthalten, der genutzt werden kann. Das Anodengas fällt auf hohem Temperaturniveau an und setzt sich in der Regel größtenteils aus Wasserdampf und Kohlendioxid zusammen. Dieses heiße Anodengas kann als Vergasungsmittel für eine Vergasungszone der Reduktionsstufe eingesetzt werden. Es muß dann weniger externes Vergasungsmittel in die Reduktionsstufe geführt werden, so daß der entsprechende Aufwand für die Vorheizung des externen Vergasungsmittels verringert ist. Dadurch lassen sich Wärmetauscher kompakter und kostengünstiger bauen bzw. es läßt sich sogar ganz auf Wärmetauscher zur Vorheizung von Vergasungsmittel verzichten. Dadurch wiederum ergibt sich ein höherer Systemwirkungsgrad. Weiterhin verringert sich der regelungstechnische Aufwand. Darüber hinaus wird in dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nicht umgesetztes Vergasungsprodukt mit Wasserstoff, Kohlendioxid oder Methan über einen Ausgang der Reduktionsstufe wiederum in das Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul eingekoppelt, so daß eine optimale Energienutzung gewährleistet ist. In der Reduktionsstufe lassen sich aufgrund der hohen Temperatur des eingekoppelten Anodengases auch höhere Umsatzraten erzielen, so daß wiederum ein Reaktor, in welchem die Reduktion stattfindet, kompakter ausbildbar ist. Darüber hinaus entsteht der Vorteil, daß in der Reduktionsstufe mehr Teer gecrackt wird und sich dadurch weniger störender Teer im Vergasungsprodukt, welches dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul zugeführt wird, befindet.

Insbesondere wird ein Anodengas-Teilstrom von einer Anodengasabführung des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls abgezweigt und der Reduktionsstufe zugeführt. Dadurch läßt sich ein Anodengas-Teilstrom gemeinsam mit einem Kathodengas-Teilstrom in einem Nachbrenner verbrennen, um beispielsweise einen oder mehrere Wärmetauscher zu heizen, über die wiederum Oxidatorgas und/oder Vergasungsmittel aufheizbar sind. Weiterhin läßt sich Anodengas direkt als Vergasungsmittel nutzen.

Vorzugsweise ist der Anodengas-Teilstrom einem Nachbrenner vorgeschaltet abgezweigt.

Es ist also günstig, wenn Anodengas als Vergasungsmittel für die Reduktionsstufe verwendet wird, da dieses insbesondere auf einer hohen Temperatur anfällt und Sauerstoff in gebundener Form beispielsweise in der Form von Kohlendioxid oder Wasser enthält.

Es kann vorgesehen sein, daß weiteres Vergasungsmittel in die Reduktionsstufe eingekoppelt wird und insbesondere extern eingekoppelt wird.

Alternativ ist es möglich, daß das Anodengas das einzige Vergasungsmittel ist, welches in die Reduktionsstufe eingekoppelt wird. Je nach Betriebspunkt des Systems liegt eine externe Einkopplung vor oder es wird auf eine solche externe Einkopplung verzichtet.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Oxidationsstufe eine räumlich getrennte Reduktionsstufe vorgeschaltet ist. Dadurch läßt sich der Vergasungsvorgang bezüglich der Energieausnutzung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials optimiert nutzen, da die einzelnen Stufen getrennt optimierbar sind.

Es kann vorgesehen sein, daß Oxidatorgas der Reduktionsstufe zugeführt wird und insbesondere aufgeheiztes Oxidatorgas der Reduktionsstufe zugeführt wird, um die Vergasung zu unterstützen.

Gasförmige Vergasungsprodukte der Reduktionsstufe werden dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul anodenseitig zugeführt. Diese Vergasungsprodukte, welche hauptsächlich durch die Vergasung von bei einem vorhergehenden Pyrolyseschritt zurückgebliebenem Pyrolysekoks entstehen, enthalten als Hauptbestandteil Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan und Wasserdampf (und Stickstoff, wenn Luft als Vergasungsmittel eingesetzt wird). In der Reduktionsstufe wird der Pyrolysekoks in brennbare Gase mit Hilfe von Vergasungsmittel aufoxidiert.

Es ist günstig, wenn gasförmige Produkte der Oxidationsstufe einem Wärmetauscher zugeführt werden, wobei der Wärmetauscher zur Erwärmung von Oxidatorgas dient, welches dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul kathodenseitig zugeführt wird. Auf diese Weise läßt sich die Abwärme dieser Produkte der Oxidationsstufe zur Aufheizung des Oxidatorgases nutzen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, daß die Produkte der Oxidationsstufe in einen Abgasstrom eines Nachbrenners für Anodengas und Kathodengas eingekoppelt werden. Dadurch läßt sich eine optimale Abwärmenutzung erreichen.

Die oben genannte Aufgabe wird bei der eingangs genannten Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vergasungsstrecke mehrstufig ausgebildet ist mit einer Oxidationsstufe, der Sauerstoff zuführbar ist, und daß eine Abzweigungsvorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher Kathodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls der Oxidationsstufe zuführbar ist.

Diese Anlage weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben Vorteile auf.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Abzweigungsvorrichtung für Anodengas vorgesehen sein, über welche Anodengas einer Reduktionsstufe zuführbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.

Eine räumliche Trennung bezüglich verschiedener Stufen der Vergasungsstrecke läßt sich auf einfache Weise erreichen, wenn ein Reaktor für die Oxidationsstufe vorgesehen ist.

Insbesondere ist dann ein Eingang des Reaktors für die Oxidationsstufe mit der Abzweigungsvorrichtung verbunden, über die ein Kathodengasstrom oder Kathodengas-Teilstrom der Oxidationsstufe zuführbar ist.

Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn ein Reaktor für die Reduktionsstufe vorgesehen ist. Dieser Reaktor für die Reduktionsstufe ist vorzugsweise ein Reaktor, welcher räumlich getrennt ist von dem Reaktor für die Oxidationsstufe. Es ist aber auch grundsätzlich möglich, daß die Reduktionsstufe und die Oxidationsstufe in einem gleichen Reaktor stattfinden, wobei diese beiden Stufen in dem Reaktor dann räumlich getrennt sind.

Wenn die Abzweigungsvorrichtung für Anodengas mit dem Reaktor für die Reduktionsstufe verbunden ist, dann läßt sich Anodengas als Vergasungsmittel in die Reduktionsstufe einkoppeln.

Es kann auch vorgesehen sein, daß die Reduktionsstufe einen Eingang für Oxidatorgas aufweist. Es läßt sich dann insbesondere aufgeheiztes Oxidatorgas in die Reduktionsstufe einkoppeln, um zusätzliches Vergasungsmittel bereitzustellen.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Blockbilddarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anlage und
2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, welches in 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine Vergasungsstrecke 12 und ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14.
Das Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 umfaßt eine oder mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen 16. Hochtemperatur-Brennstoffzellen arbeiten auf einem Temperaturniveau, welches in der Größenordnung zwischen ca. 600 °C und 1000 °C oder höher liegt. Zwischen einer Kathode 18 und einer Anode 20 einer solchen Hochtemperatur-Brennstoffzelle 16 ist beispielsweise ein keramischer Festkörperelektrolyt 22 angeordnet oder es sind schmelzflüssige Alkalicarbonate als Elektrolyt vorgesehen. Beispielsweise handelt es sich bei der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 16 um eine Brennstoffzelle vom Typ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) oder MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell).
Gasförmige Vergasungsprodukte der Vergasungsstrecke 12 werden über eine Leitung 24 anodenseitig dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 als Brennstoff zugeführt, das heißt die Leitung 24 ist an einen Anodeneingang 26 des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 14 gekoppelt.
Der Kathode 18 einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle 16 wird ein Oxidatorgas wie beispielsweise Luft mit dem darin enthaltenen Luftsauerstoff zugeführt. Dazu ist eine Zuführungsleitung 28 vorgesehen, welche kathodenseitig an die Hochtemperatur-Brennstoffzelle 16 oder die Hochtemperatur-Brennstoffzellen 16 gekoppelt ist. Ein Kathodeneingang 30 des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 14 ist an die Leitung 28 gekoppelt.
Ein Anodenausgang 32 einer Anodengasabführung 33 des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 14 ist über eine Leitung 34 mit einem entsprechenden Eingang 36 eines Nachbrenners 38 verbunden. Ferner ist ein Kathodenausgang 40 einer Kathodengasabführung 41 des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 14 über eine Leitung 42 mit einem weiteren Eingang 44 des Nachbrenners 38 verbunden. In den Brennstoffzellen des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 14 erfolgt keine vollständige Umsetzung von Oxidatorgas und Brennstoff. Üblicherweise werden die Hochtemperatur-Brennstoffzellen 16 auch im Oxidatorgasüberschuß betrieben, wobei beispielsweise das Kathodengas, welches über den Kathodenausgang 40 das Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 verläßt und im wesentlichen nicht verbrauchtes Oxidatorgas ist, einen Sauerstoffgehalt zwischen ca. 10 % und 18 % aufweist. Das Anodengas, welches an dem Anodenausgang 32 aus dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul ausgekoppelt wird und dem Nachbrenner 38 zugeführt wird, enthält im wesentlichen unverbrauchten Brennstoff, Wasser und Kohlendioxid. Kathodengas und Anodengas werden in dem Nachbrenner 38 verbrannt, um den Energieinhalt dieser Restgase auszunutzen.
Die Verbrennungsgase werden an einem Ausgang 46 des Nachbrenners 38 ausgekoppelt und über eine Leitung 48 einer Vorwärmstufe 49 für Oxidatorgas einem Wärmetauscher 50 mit Wärmetauscherflächen 52 zugeführt.
Oxidatorgas und insbesondere Luft wird über eine Leitung 54 in den Wärmetauscher 50 eingekoppelt und durchströmt diesen. Das Oxidatorgas wird dadurch erwärmt, wobei ein entsprechender Ausgang 56 des Wärmetauschers 50 an die Leitung 28 gekoppelt ist. Dadurch läßt sich aufgeheiztes Oxidatorgas dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 zuführen.
Ein Ausgang 58 für Verbrennungsgase des Wärmetauschers 50 ist an eine Leitung 60 gekoppelt, die zu einem weiterem Wärmetauscher 62 führt. Dieser weist Wärmetauscherflächen 64 auf. In den Wärmetauscher 62 wird ein Vergasungsmittel wie beispielsweise Wasser für den Vergasungsprozeß eingekoppelt. Das Vergasungsmittel heizt sich in dem Wärmetauscher 62 auf und über eine Leitung 66 wird das aufgeheizte Vergasungsmittel der Vergasungsstrecke 12 zugeführt.
In den Wärmetauschern 50 und 62 abgekühltes Verbrennungsgas (welches von dem Nachbrenner 38 stammt) wird über eine Leitung 68 abgeführt.
Über eine Zuführung 70 läßt sich der Vergasungsstrecke Ausgangsmaterial, nämlich kohlenstoffhaltiges Material als Brennstoff zuführen. Bei diesem kohlenstoffhaltigen Material handelt es sich beispielsweise um Biomasse, um Kohle, um biogene Abfallstoffe, um kohlenstoffhaltige Reststoffe oder um Mischungen der genannten Ausgangsmaterialien.
Das kohlenstoffhaltige Material wird in der Vergasungsstrecke 12 vergast unter Zuhilfenahme eines Vergasungsmittels wie beispielsweise Wasserdampf (welcher durch Erhitzung von flüssigem Wasser in dem Wärmetauscher 62 erzeugt wurde). Der Wasserdampf wird über die Leitung 66 in die Vergasungsstrecke 12 eingekoppelt.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die Vergasungsstrecke 12 mehrstufig ist:
Die Vergasung von beispielsweise Biomasse kann prinzipiell in vier Teilschritte aufgeteilt werden, wobei die Teilschritte nicht unbedingt räumlich und zeitlich getrennt sein müssen. Die Teilschritte sind Trocknung, Pyrolyse, Reduktion und Oxidation. Die einzelnen Schritte lassen sich durch die Menge des beteiligten Sauerstoffs, die in den Schritten stattfindenden physikalischen und chemischen Reaktionen und die entsprechenden Temperaturniveaus charakterisieren.
Bei der Trocknungsstufe verdampft bei Temperaturen bis zu ca. 200 °C das in der meist porösen Biomasse enthaltene Wasser. Bei dem Wasser kann es sich um freies Wasser und um in der organischen Biomasse gebundenes Wasser handeln.
Bei der Pyrolyse werden nach Erhitzen auf ca. 200 °C bis 300 °C die Moleküle, die das biogene Material bilden, irreversibel aufgespalten bzw. zerstört. Gleichzeitig findet dabei eine (primäre) Teerbildung statt. Es entstehen flüchtige Gase wie beispielsweise Wasserdampf, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan und organische Dämpfe sowie fester Kohlenstoff (Pyrolysekoks).
In der Reduktionsstufe (der eigentlichen Vergasungsstufe) werden Brenngase erzeugt, die noch weiter aufoxidiert werden können. Die während der Pyrolyse entstandenen gasförmigen, flüssigen oder festen Produkte reagieren unter weiterer Wärmeeinwirkung mit zugeführtem Sauerstoff, wobei der Sauerstoff in Form von Luft, Kohlendioxid oder Wasserdampf oder Kombination davon zugeführt werden kann. Der während der Pyrolyse entstandene Pyrolysekoks wird nahezu vollständig in brennbare Gase und hauptsächlich Kohlenmonoxid aufoxidiert. Dazu ist die erwähnte Sauerstoffzufuhr notwendig. Es entstehen Brenngase mit den Hauptbestandteilen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan, Wasserdampf und es entsteht, sofern Luft als Vergasungsmittel eingesetzt wird, Stickstoff.
In der Oxidationsstufe werden die bei der Reduktion entstandenen Produkte unter Wärmefreisetzung und Sauerstoffzufuhr vollständig oxidiert. Nach der vollständigen Oxidation bleiben nur noch Kohlendioxid und Wasser übrig. Grundsätzlich ist diese Umsetzung für die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material unerwünscht, da sie den Heizwert des Produktgases herabsetzt, wobei die Umsetzung nicht vollständig verhindert werden kann.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die Vergasungsstrecke 12 mehrstufig ausgebildet ist und mindestens die Reduktionsstufe und die Oxidationsstufe räumlich getrennt voneinander sind, so daß die entsprechenden, für diese Stufen charakteristischen Prozesse räumlich getrennt voneinander ablaufen können. Dadurch wiederum lassen sich diese Prozesse unabhängig voneinander optimieren.
Die räumliche Trennung kann beispielsweise, wie in 1 schematisch gezeigt, dadurch erfolgen, daß ein Reaktor 72 für die Reduktionsstufe vorgesehen ist (in dem aber auch die Trocknungsstufe und die Pyrolysestufe stattfinden kann) und ein Reaktor 74 für die Oxidationsstufe vorgesehen ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, anstatt getrennter Reaktoren 72, 74 einen einzigen Reaktor vorzusehen, wobei in diesem Reaktor jedoch die Reduktionsstufe und die Oxidationsstufe räumlich getrennt sind. Es ist auch möglich, für die Trocknung und/oder Pyrolyse jeweils eigene Reaktoren vorzusehen.
Der Reaktor 72, in dem die eigentlichen Brenngase für das Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 entstehen, weist einen Ausgang 76 für gasförmige Vergasungsprodukte auf. Dieser Ausgang 76 ist über die Leitung 24 anodenseitig mit dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 verbunden.
Der Reaktor 74 für die Oxidationsstufe weist einen Ausgang 78 auf. Über diesen Ausgang lassen sich Endprodukte der Oxidationsstufe, das heißt vor allem Kohlendioxid und Wasser abführen. Dazu ist der Ausgang 78 an eine Leitung 80 gekoppelt, welche in einen Eingang einer Sammelvorrichtung 82 mündet. Die Sammelvorrichtung 82 wiederum sitzt in der Leitung 48, über die Verbrennungsabgase des Nachbrenners 38 dem Wärmetauscher 50 zugeführt werden. Der aus dem Reaktor 74 für die Oxidationsstufe ausgekoppelte Gasstrom läßt sich dadurch in die Leitung 48 einkoppeln, um so gemeinsam mit dem Abgasstrom des Nachbrenners 38 in der Vorwärmstufe 49 für eine Aufheizung des Oxidatorgases zu sorgen.
In der Leitung 28 für das Oxidatorgas, mit welchem dieses aufgeheizt dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 kathodenseitig zugeführt wird, sitzt wiederum eine Abzweigungsvorrichtung 84, über die sich ein Teilstrom an aufgeheiztem Oxidatorgas abzweigen und in eine Leitung 86 einkoppeln läßt. Diese Leitung 86 führt zu einem Eingang des Reaktors 74 für die Oxidationsstufe. Der für die Oxidationsstufe notwendige Sauerstoff läßt sich dadurch einkoppeln.
Mehrstufige Vergasungsstrecken 12 mit räumlich getrennter Reduktionsstufe und Oxidationsstufe lassen sich auf verschiedene Weise realisieren. Bekannt ist beispielsweise ein Zweibett-Wirbelschicht-Vergaser mit umlaufendem Bettmaterial, bei welchem bei der Reduktion entstehender fester Kohlenstoff mit umlaufendem Bettmaterial über Leitungen 88a, 88b zwischen dem Reaktor 72 und dem Reaktor 74 transportiert wird. Der Kohlenstoff wird mit dem umlaufenden Bettmaterial in einer Verbrennungszone des Reaktors 74 für die Oxidationsstufe unter Sauerstoffzuführung über die Leitung 86 verbrannt. Das erwärmte Bettmaterial (mit verringertem Kohlenstoffanteil) wird über die Leitung 88b in den Reaktor 72 zurückgeführt, das heißt in die (eigentliche) Vergasungszone geführt und stellt dort die für die endothermen Vergasungsreaktionen benötigte Wärme zur Verfügung.
Ein entsprechender Vergaser, welcher eine solche Vergasungsstrecke 12 realisiert, wird auch als FICFB-Vergaser bezeichnet (FICFB – Fast Internally Circulating Fluidized-Bed). Dieses Konzept ist in dem Artikel "Biomass Steam Gasification – An Extensive Parametric Modelling Study" von G. Schuster et al., Bioresource Technology 77 (2001), Seiten 71 bis 79 beschrieben.
Mehrstufige Vergasungsstrecken 12 lassen sich beispielsweise auch über kombinierte Gegenstrom-Gleichstrom-Vergaser realisieren. Ein solcher Vergaser ist in dem Artikel "Biomasseverwertung" von T. Steinrötter et al. vom Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. beschrieben (www.iuta.de).
Ein weiteres bekanntes Konzept für eine mehrstufige Vergasungsstrecke 12 ist ein Vergaser mit mehrstufiger Vergasungsmittelzuführung (W. Althaus et al. "Konzeption einer typisierten Demonstrationsanlage zur Vergasung und Verstromung von Holz/Biomasse-Standard-Biomassenkraftwerk", www.umsicht.fhg.de). Dieses Konzept ist auch in dem Artikel "Vergasung fester Biomasse – Bereits Stand der Technik?" von M. Ising in Fraunhofer UM-SICHT/Isi, Gülzower Fachgespräche 16.–17. Mai 2000 beschrieben.
Weitere mehrstufige Vergasungskonzepte sind in den Artikeln "Modelling of combined cycle power plants using biomass" von F. Jurado et al. in Renewable Energy 28 (2003), Seiten 743 bis 753, dem Artikel "Two-Stage Gasification of Biomass for the Production of Syngas" von R. Berends und G. Brem in 12^th European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 17–21 June 2002, Amsterdam, Seiten 622 bis 624, in "High Performance Gasification with the Two-Stage Gasifier" von B. Gobel et al., Seiten 389 bis 395 in dem oben zitierten Konferenzband oder in dem Artikel "Renewable fuels and chemicals by thermal processing of biomass" von A. V. Bridgwater in Chemical Engineering Journal 91 (2003) 87 bis 102 beschrieben.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, daß Kathodengas, das heißt Gas, welches an dem Kathodenausgang 40 entnehmbar ist, dem Reaktor 74 für die Oxidationsstufe geführt wird. Dazu ist in der Leitung 42 eine Abzweigungsvorrichtung 90 angeordnet, deren Eingang mit dem Kathodenausgang 40 verbunden ist, deren erster Ausgang über eine Leitung 92 mit einem Eingang 94 des Reaktors 74 verbunden ist, und deren zweiter Ausgang mit dem Eingang 44 des Nachbrenners 38 verbunden ist. Insbesondere ist der Volumenstrom des abgezweigten Teilstroms steuerbar.
Über die Leitung 92 läßt sich dann heißes und sauerstoffreiches Kathodengas (mit einem Sauerstoffgehalt von beispielsweise 10 % bis 18 %) dem Reaktor 74 zuführen. Das Temperaturniveau des zugeführten Kathodengases kann dabei bis zu 1000 °C oder mehr betragen. Dieses heiße Kathodengas läßt sich dadurch in eine Verbrennungszone des Reaktors 74 für die Oxidationsstufe führen. Dadurch wiederum braucht weniger Oxidatorgas (über die Leitung 86) dem Reaktor 74 zugeführt werden. Der Wärmetauscher 50 läßt sich dadurch mit kleineren Wärmetauscherflächen 52 ausbilden und damit kostengünstiger und kompakter ausgestalten.
Es kann auch vorgesehen sein, daß in der Leitung 34 eine weitere und insbesondere steuerbare Abzweigungsvorrichtung 96 sitzt, deren Eingang mit dem Anodenausgang 32 verbunden ist. Ein erster Ausgang der Abzweigungsvorrichtung 96 ist über eine Leitung 98 mit einem Eingang 100 des Reaktors 72 verbunden. Ein zweiter Ausgang der Abzweigungsvorrichtung 96 ist mit dem Eingang 36 des Nachbrenners 38 verbunden. Über die Abzweigungsvorrichtung 96 läßt sich heißes, von dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 stammendes Anodengas, welches in großem Umfange Wasserdampf und Kohlendioxid enthält, dem Reaktor 72 für die Reduktionsstufe zuführen. In dessen Vergasungszone kann dieser Anodengas-Teilstrom als Vergasungsmittel für das kohlenstoffhaltige Material eingesetzt werden. Es muß dann weniger "externes" Vergasungsmittel wie Wasserdampf vorgewärmt werden, um gasförmige Vergasungsprodukte zu erzeugen. Dadurch wiederum läßt sich der Wärmetauscher 62 kompakter und kostengünstiger ausbilden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Luftvorwärmung (Wärmetauscher 52) und die Wasservorwärmung (Wärmetauscher 62) in Reihe nacheinander geschaltet. Diese Reihenfolge kann auch umgekehrt sein oder die einzelnen Vorwärmstufen können parallel angeordnet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt:
Das kohlenstoffhaltige Material, welches über die Zuführung 70 der Vergasungsstrecke 12 zugeführt wird, erfährt dort Vergasungsprozesse und insbesondere erfolgt eine Vergasung in einer Vergasungszone des Reaktors 72 und eine Verbrennung in einer Verbrennungszone des Reaktors 74. In der Vergasungszone des Reaktors 72 wird mit Hilfe von beispielsweise Wasserdampf als Vergasungsmittel ein Produktgas erzeugt, welches überwiegend aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan und Wasserdampf besteht. Dieses Produktgas wird über die Leitung 24 dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 anodenseitig als Brenngas zugeführt.
Übrigbleibender fester Kohlenstoff wird dem Reaktor 74 zugeführt und dort unter Zugabe von Sauerstoff über die Leitung 86 (in der Form von Oxidatorgas) und über die Leitung 92 in der Form von Kathodengas verbrannt. In dem beschriebenen FICFB-Verfahren wird der feste Kohlenstoff über die Leitung 88a von dem Reaktor 72 in den Reaktor 74 zusammen mit Bettmaterial transportiert, wobei sich das Bettmaterial in dem Reaktor 74 aufheizt und das aufgeheizte Bettmaterial über die Leitung 88b wieder dem Reaktor 72 zugeführt wird, um dort Wärme für endotherme Vergasungsreaktionen zur Verfügung zu stellen.
Grundsätzlich ist es auch möglich, daß ein Teil des Produktgases in dem Reaktor 74 verbrannt wird, um genügend Wärme bereitstellen zu können. Die Menge des zu verbrennenden Produktgases ist abhängig von dem gewählten Betriebspunkt der Anlage 10.
Das Produktgas, welches dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 zugeführt wird, ist um den Anteil reduziert, welcher dem Reaktor 74 zugeführt wird.
Anodengas wird über die Leitung 98 dem Reaktor 72 zugeführt, um eine zusätzliche Quelle für Vergasungsmittel bereitzustellen.
Kathodengas und Anodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 14 werden in einem Nachbrenner 38 verbrannt, wobei über die Wärmetauscher 50 und 62 die Abwärme dieses Verbrennungsvorgangs genutzt wird. In dem Wärmetauscher 50 wird Oxidatorgas aufgeheizt, welches kathodenseitig dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 zugeführt wird. Über den Wärmetauscher 62 wird Vergasungsmittel wie beispielsweise Wasserdampf aufgeheizt, welches dem Reaktor 72 zugeführt wird.
Verbrennungsgase des Reaktors 74, bei denen es sich insbesondere um Kohlendioxid und Wasser handelt, werden vorzugsweise in die Leitung 48 eingekoppelt, um so über eine Vorwärmungsstufe zur Aufheizung des Oxidatorgases beizutragen.
Durch die erfindungsgemäße Einkopplung von Kathodengas in den Reaktor 74 für die Oxidationsstufe und durch die fakultative Möglichkeit der zusätzlichen Einkopplung von Anodengas in den Reaktor 72 für die Reduktionsstufe läßt sich ein höherer Systemwirkungsgrad erreichen. Es lassen sich Wärmetauscherflächen der Wärmetauscher 50 und 62 verringern. Es ist sogar möglich, den Wärmetauscher 50 und/oder den Wärmetauscher 62 wegzulassen. Dadurch, daß die Wärmetauscher 50, 62 einen geringeren Einfluß auf das Gesamtsystem haben, oder unter Umständen sogar ganz weggelassen sind, ist der regelungstechnische Aufwand verringert. Insbesondere wenn keine Oxidatorgasauskopplung für den Reaktor 74 mehr vorgesehen werden muß (wie unten noch beschrieben wird), dann läßt sich die Oxidatorgasvorwärmer bezüglich den Brennstoffzellen 16 optimieren.
Da weniger Wasserdampf benötigt wird oder sogar keine externe Wasserdampferzeugung mehr notwendig ist, kann der Wärmetauscher 62 kompakter gebaut werden und der regelungstechnische Aufwand verringert sich. Weiterhin wird dafür gesorgt, daß Produktgase mit entsprechendem hohen Energieinhalt und insbesondere nicht in dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul umgesetzter Wasserstoff, nicht umgesetztes Kohlendioxid und nicht umgesetztes Methan wieder in die Vergasungsstrecke 12 zurückgeführt werden.
Weiterhin können durch die höheren Temperaturen, mit welchen Sauerstoff dem Reaktor 74 zugeführt wird, und mit welchem Anodengas dem Reaktor 72 zugeführt wird, höhere Umsatzraten in den jeweiligen Reaktoren 72, 74, das heißt für Vergasung und Verbrennung erzielt werden. Dadurch wiederum können die Reaktoren 72, 74 kompakter gebaut werden. Je höher die Temperatur in der Vergasungszone des Reaktors 72 ist, desto mehr Teer wird auch gecrackt und desto weniger Teer ist in dem gasförmigen Vergasungsprodukt enthalten, welches dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 zugeführt wird.
Die bei der Wärmeübertragung in den Wärmetauschern 50, 62 grundsätzlich auftretenden Verluste sind verringert oder sogar eliminiert. Es ist auch möglich, für eine direkte Wärmeeinkopplung in die Reaktoren 72, 74 zu sorgen, so daß die bei der indirekten Wärmeeinkopplung über Wärmetauscher entstehenden Verluste verringert sind.
Es zeigt sich, daß sich durch das erfindungsgemäße Konzept Systemwirkungsgrade von ca. 52 % auf 58,5 % steigern lassen. Der Systemwirkungsgrad ist das Verhältnis der entnehmbaren elektrischen Leitung an dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 bezogen auf den Energieeintrag (chemische Energie) des kohlenstoffhaltigen Materials.
Der Anteil des Kathodengases, welches in der Abzweigungsvorrichtung 90 abgezweigt und der Oxidationsstufe zugeführt wird, kann zwischen ca. 5 % und ca. 80 % liegen. Als vorteilhaft erweist sich ein Teilstrom von ca. 10 % bis 20 % des Ausgangsstroms des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls.
Die gesamten Prozentsätze sind auch für den Anodengas-Teilstrom anwendbar.
Es kann noch vorgesehen sein, daß aufgeheiztes Oxidatorgas auch dem Reaktor 72 für die Reduktionsstufe zugeführt wird. Dazu ist eine Leitung 102 vorgesehen, welche an einen Eingang 104 des Reaktors 72 angeschlossen ist. Beispielsweise ist diese Leitung 102 an einen Ausgang einer Abzweigungsvorrichtung 106 gekoppelt, wobei ein Eingang dieser Abzweigungsvorrichtung an die Leitung 86 angeschlossen ist und ein weiterer Ausgang dann an den Reaktor 74 für die Oxidationsstufe gekoppelt ist.
Es ist auch möglich, daß die Leitung 102 über eine Abzweigungsvorrichtung an die Leitung 28 angeschlossen ist.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage, welche in 2 und als Ganzes mit 108 bezeichnet ist, ist ein Reaktor 110 für die Reduktionsstufe und ein Reaktor 112 für die Oxidationsstufe vorgesehen. Der Reaktor 110 stellt gasförmige Vergasungsprodukte einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul bereit, welches grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie oben beschrieben. Für dieses Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul wird deshalb auch das gleiche Bezugszeichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 wiederum ist ein Nachbrenner 38 nachgeschaltet.
Kathodengas wird über eine Abzweigungsvorrichtung 114 und eine Leitung 116 dem Reaktor 112 für die Oxidationsstufe zugeführt. Der über die Abzweigungsvorrichtung 114 ausgekoppelte Kathodengas-Teilstrom stellt die einzige Sauerstoffquelle für den Reaktor 112 dar.
Verbrennungsgase des Nachbrenners 38 erhitzen in einem Wärmetauscher Oxidatorgas und insbesondere Luft, welches über eine Leitung 120 der Kathode 18 des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 14 zugeführt wird. Von der Leitung 120 wird kein Oxidatorgas zur Zuführung zum Reaktor 112 abgezweigt. Dadurch läßt sich die Oxidatorgasführung und Regelung der Zuführung zum Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 optimiert angepaßt auf die Bedürfnisse der Brennstoffzellen des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 14 regeln. Eine Oxidatorgasauskopplung für den Reaktor 112 muß für die Oxidatorgaszuführung nicht berücksichtigt werden.
Zusätzlich ist eine Abzweigungsvorrichtung 122 vorgesehen, welche einem Anodenausgang der Anode 20 oder der Anoden 20 des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 14 nachgeschaltet ist. Über die Abzweigungsvorrichtung 22 läßt sich ein Teilstrom an Anodengas auskoppeln und über eine Leitung 124 dem Reaktor 110 zuführen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Anodengas das einzige Vergasungsmittel, welches dem Reaktor 110 zugeführt wird. Dadurch ist kein Wärmetauscher (wie beispielsweise der Wärmetauscher 62 in der Anlage 10) notwendig, um Vergasungsmittel wie Wasser aufzuheizen; das Anodengas, welches von dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 14 stammt, ist bereits aufgeheizt.
Ansonsten funktioniert die Anlage 108 wie oben beschrieben.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß Kathoden(rest-)gas der Oxidationsstufe der Vergasungsstrecke 12 zugeführt wird, wobei in der Vergasungsstrecke 12 die Oxidationsstufe und die Reduktionsstufe für die Vergasung räumlich getrennt sind. Die räumliche Trennung kann, wie oben beschrieben, durch räumlich getrennte Reaktoren vorgenommen werden oder beispielsweise auch durch die räumliche Trennung der Stufen in einem einzigen Reaktor.
Zusätzlich kann es vorgesehen sein, daß Anoden(rest-)gas als Vergasungsmittel der Reduktionsstufe der Vergasungsstrecke 12 zugeführt wird.
Es ist grundsätzlich möglich, daß das Kathodengas die einzige Sauerstoffquelle für die Oxidationsstufe ist. Unabhängig davon ist es auch möglich, daß das Anodengas die einzige Quelle für Vergasungsmittel für die Reduktionsstufe ist.

Claims

Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, bei dem gasförmige Vergasungsprodukte einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul anodenseitig zugeführt werden und Oxidatorgas dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul kathodenseitig zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergasung des kohlenstoffhaltigen Materials mehrstufig durchgeführt wird mit einer Oxidationsstufe, in welcher unter Sauerstoffzufuhr Zwischenprodukte der Vergasung oxidiert werden, und daß der Oxidationsstufe Kathodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls eine Sauerstoffquelle für die Oxidationsstufe der Vergasung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodengas die einzige Sauerstoffquelle für die Oxidationsstufe ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsstufe zusätzlich zum Kathodengas Sauerstoff zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff in Form von vorgewärmter Luft zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kathodengas-Teilstrom von einer Kathodengasabführung des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls abgezweigt wird und der Oxidationsstufe zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodengas-Teilstrom einem Nachbrenner vorgeschaltet abgezweigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul Oxidatorgas im Überschuß zugeführt wird.
Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung des kohlenstoffhaltigen Materials mehrstufig durchgeführt wird und daß Anodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls einer Reduktionsstufe der Vergasung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anodengas-Teilstrom von einer Anodengasabführung des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls abgezweigt wird und der Reduktionsstufe zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodengas-Teilstrom einem Nachbrenner vorgeschaltet abgezweigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Anodengas als Vergasungsmittel für die Reduktionsstufe verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß externes Vergasungsmittel in die Reduktionsstufe eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodengas das einzige Vergasungsmittel ist, welches in die Reduktionsstufe eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsstufe eine räumlich getrennte Reduktionsstufe vorgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Oxidatorgas der Reduktionsstufe zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmige Vergasungsprodukte der Reduktionsstufe dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul anodenseitig zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmige Produkte der Oxidationsstufe einem Wärmetauscher zugeführt werden, wobei der Wärmetauscher zur Erwärmung von Oxidatorgas dient, welches dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul kathodenseitig zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Produkte der Oxidationsstufe in einen Abgasstrom eines Nachbrenners für Anodengas und Kathodengas eingekoppelt werden.
Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, umfassend mindestens eine Vergasungsstrecke (12) und ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul (14), welchem gasförmige Vergasungsprodukte als Brennstoff anodenseitig zuführbar sind und Oxidatorgas kathodenseitig zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergasungsstrecke (12) mehrstufig ausgebildet ist mit einer Oxidationsstufe, der Sauerstoff zuführbar ist, und daß eine Abzweigungsvorrichtung (90; 114) vorgesehen ist, mittels welcher Kathodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls (14) der Oxidationsstufe zuführbar ist.
Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigungsvorrichtung (90; 114) zwischen einem kathodenseitigen Ausgang (40) des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls (14) und einem Nachbrenner (38) angeordnet ist.
Anlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 20 oder nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abzweigungsvorrichtung (96; 122) vorgesehen ist, über welche Anodengas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls (14) einer Reduktionsstufe der Vergasungsstrecke (12) zuführbar ist.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigungsvorrichtung (96; 122) für Anodengas zwischen einem anodenseitigen Ausgang (22) des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls (14) und einem Nachbrenner (38) angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktor (74; 112) für die Oxidationsstufe vorgesehen ist.
Anlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang (94) des Reaktors (74; 112) für die Oxidationsstufe mit der Abzweigungsvorrichtung (90; 114) für Kathodengas verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (74) für die Oxidationsstufe einen Eingang für Oxidatorgas aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsstufe und eine Reduktionsstufe der Vergasungsstrecke (12) räumlich getrennt sind.
Anlage nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktor (72; 110) für die Reduktionsstufe vorgesehen ist.
Anlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigungsvorrichtung (96; 122) für Anodengas mit dem Reaktor (72; 110) für die Reduktionsstufe verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (72; 110) für die Reduktionsstufe einen Eingang (104) für Oxidatorgas aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (72; 110) für die Reduktionsstufe dem Reaktor (74; 112) für die Oxidationsstufe vorgeschaltet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang (76) für gasförmige Vergasungsprodukte des Reaktors (72; 110) für die Reduktionsstufe mit dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul (14) anodenseitig verbunden ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang (78) für gasförmige Produkte des Reaktors (74; 112) für die Oxidationsstufe mit einer Vorwärmstufe (49) zur Vorwärmung von Oxidatorgas verbunden ist.