View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

führten Kraftstoff 30 %(Masse) beträgt. Die Adsorption wird mit zwei Festbettadsorbern
ausgeführt, die im Wechsel mit Luft bei 450 – 500°C regeneriert werden.
Die Laborversuche zeigten nach 31 Regenerationszyklen keine signifikante Degradation
des Adsorbens, was für die gewählte Auslegung einer Lebensdauer von mehr als 228 h
entspricht. Zur Entschwefelung von Kerosin mit 3000 ppm ergibt sich ein Bauvolumen von
etwa 95 l. Der Energieaufwand ist deutlich höher als bei der Hydrierung, da bei der thermischen
Abtrennung der Destillatanteil verdampft werden muss und während der Regeneration
ein Teil des Kraftstoffs verloren geht, der nach der Adsorption in den Poren des
Adsorbens verbleibt. Für den Systemwirkungsgrad der APU resultiert daraus für Kerosin
mit 3000 ppm Schwefel eine Wirkungsgradeinbuße von 8,8 Prozentpunkten. Für den Betrieb
mit Jet A-1 mit einem in der EU typischen Schwefelgehalt von 563 ppm beträgt dieser
Wert 3,1 Prozentpunkte. Aufgrund der hohen Werte für Bauvolumen und Energieaufwand
ist der Prozess nicht wirtschaftlich umsetzbar.
Wird die destillative Abtrennung durch eine Pervaporation ersetzt, resultieren daraus
energetische Vorteile. Da die Betriebstemperatur der Pervaporation zwischen 75°C und
135°C liegt, kann die zur Pervaporation benötigte Wärmemenge durch die Abwärme einer
Hochtemperatur-Polymerelektrolytbrennstoffzelle gedeckt werden. Die Auslegung des
Gesamtprozesses hat ergeben, dass eine zweistufige Pervaporation mit Kreislaufführung
des zugeführten Kraftstoffstroms vorteilhaft ist. Die erste Stufe nutzt die Polyurea-
Urethan-Membran, um ein schwefelarmes Permeat zu erzeugen. Davon kann mit der
Polyimidmembran anschließend ein mit Schwefel angereichertes Permeat abgetrennt
werden. Es verbleibt ein Produkt, dessen Schwefelgehalt um etwa zwei Drittel geringer ist
als der im zugeführten Kraftstoff.
Das Bauvolumen wird auf etwa 23 l abgeschätzt. Unter der Voraussetzung, dass genügend
Abwärme zur Verfügung steht, resultiert der Energieaufwand zur Entschwefelung
von Kerosin mit 3000 ppm Schwefel in einer Reduktion des Systemwirkungsgrades um
3,1 Prozentpunkte und für Jet A-1 mit einem in der EU typischen Schwefelgehalt von
563 ppm um 0,7 Prozentpunkte. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer der Polyurehan-
Membran von weniger als 150 h kann der Prozess jedoch bislang nicht technisch angewendet
werden.
Daher wird derzeit in einer Forschungskooperation an der Entwicklung geeigneter,
dauerfester Membranen gearbeitet. Außerdem wird im Rahmen des „Advanced Fuel Cell
Program“ des U.S. Office of Naval Research an neuen Adsorbentien mit höheren
Adsorptionskapazitäten gearbeitet, die in den kommenden Jahren kommerzialisiert
werden sollen. Mit diesen Materialien wird eine deutliche Reduzierung der Baugröße und
des Energieaufwandes verbunden sein.
Damit verbleibt die hydrierende Entschwefelung als einziger Prozess, der kurzfristig das Potential
zur technischen Umsetzung hat. Um den Nachweis zu erbringen, dass die Schwefelwasserstoffabtrennung
erwartungsgemäß funktioniert und das Verfahren auch über den Labormaßstab
hinaus viel versprechend ist, wurde der Prozess mit einer Pilotanlage für eine
Brennstoffzellen-APU mit einer Leistung von 5 kWel erprobt. Der Aufbau der Anlage sowie
die Betriebserfahrungen sind in Kapitel 6 erläutert. Mit der Pilotanlage konnte Jet A-1 über
eine Versuchsdauer von 193 h von 712 ppm Schwefel auf maximal 10 ppm entschwefelt
werden, wobei darin der restliche gelöste Schwefelwasserstoff bereits enthalten ist. Mit der
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