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Title
Auslegung, Aufbau und Optimierung einer Druckwechseladsorption im Labormaßstab / von Martin Brenner
Additional Titles
Design, construction and optimisation of a lab-scale pressure swing adsorption unit
AuthorBrenner, Martin
Thesis advisorHarasek, Michael
PublishedWien, 2019
Description120 Seiten
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Diplomarbeit, 2019
Annotation
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprueft
LanguageGerman
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)PSA / Experiment / Anlagenaufbau / Verfahrenstechnik / Energietechnik / Erneuerbare Energie
Keywords (EN)Experiment / Plant construction / Chemical engineering / Power engineering / Renewable energy
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-121566 Persistent Identifier (URN)
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Auslegung, Aufbau und Optimierung einer Druckwechseladsorption im Labormaßstab [6.65 mb]
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Abstract (German)

Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge stellen in der heutigen Zeit ein großes Potential zur Reduzierung des Schadstoffund Treibhausgasausstoßes im Verkehrssektor dar. Sie vereinen nahezu alle Vorteile herkömmlicher Verbrennungsantriebe und traktionsbatteriegetriebener Elektrofahrzeuge in einem unter gewissen Rahmenbedingungen klimaneutralen Konzept. Der als Treibstoff genutzte Wasserstoff kann durch die steigende Verbreitung von Power-to-Gas-Prozessen in größer werdenden Mengen wirtschaftlich und auf erneuerbarer Basis durch Elektrolyse gewonnen werden. Das größte Hindernis für eine weite Verbreitung von Brennstoffzellenfahrzeugen stellt somit die schlechte Infrastruktur an geeigneten Tankstellen dar. Genau an diesem Punkt setzt das Konzept des an der TU Wien entwickelten HylyPure®-Prozesses an und kann den zu Verteilungsund Energiespeicherzwecken ins Erdgasnetz einzuspeisenden Wasserstoff durch eine ausgeklügelte Kombination von Gaspermeation und Druckwechseladsorption überall, wo Zugang zum Erdgasnetz gewährt ist, in Brennstoffzellenqualität von wenigstens 99,97 Vol.-% bereitstellen. Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurde eine auf diesen Prozess abgestimmte, aber auch für andere Anwendungen einsetzbare Anlage zur Druckwechseladsorption im Labormaßstab ausgelegt, errichtet, automatisiert und in Betrieb genommen. Dabei wurde besonders auf die Flexibilität hinsichtlich der Einsetzbarkeit für andere Trennaufgaben und eine mögliche spätere Hochdruckanwendung bei bis zu 90 bar(g) geachtet. In der Ausführung mit vier Adsorbern und einem baugleichen Pufferspeicher wurden Versuche mit Aktivkohle als Adsorbens durchgeführt. Bei einem Betriebsdruck von 8 bar(g) wurden mit einem Methan-Wasserstoff-Gemisch aus je 50 Vol.-% für alle Adsorber Durchbruchskurven aufgenommen und mit literaturbasierten Rechenwerten verglichen. In weiterer Folge wurden mit einem den Einsatzbedingungen im HylyPure®-Prozess entsprechenden Gasgemisch aus 70 Vol.-% Methan und 30 Vol.-% Wasserstoff qualitative Versuche im Vollbetrieb des 12 Teilschritte umfassenden zyklischen Druckwechseladsorptions-Prozesses bei verschiedenen Betriebsparametern durchgeführt und die Unterschiede sowie Ergebnisse diskutiert. Anhand der gewonnen Erkenntnisse wurden Vorschläge zur weiteren Optimierung und einer umfassenden quantitativen Analyse inklusive Ausbeutebestimmung unter Implementierung aller vorgesehen Analysemöglichkeiten erarbeitet.

Abstract (English)

Hydrogen-powered fuel-cell cars nowadays provide a huge potential for reducing pollutant and greenhouse gas emissions caused by the transport sector. They manage to combine most benefits from both combustion engine-powered and battery-powered electric cars into a single vehicle, and under certain circumstances can provide a climate-neutral drive concept. The necessary hydrogen can be provided in ever increasing amounts and better economic efficiency than ever before through the ever more common use of power-to-gas applications. Electrolysis in the context of power-to-gas offers a sustainable and eco-friendly basis for hydrogen production via wind and solar energy. Thus, the biggest challenge for a widespread usage and acceptance of hydrogen-fuelled cars lies in providing a sufficiently developed infrastructure of adapted gas stations. The HylyPure®-Process, which was developed at the Technical University of Vienna, tries to address this issue with its concept of feeding hydrogen to the existing gas grid for storage and distribution, therefore being able to provide hydrogen in fuel cell quality of at least 99,97 Vol.-% purity in any place that has access to the natural gas grid. Over the course of the work in hand the design, dimensioning, automation and initial operation of a lab-scale pressure swing adsorption unit were conducted. Whilst the applications main focus was on the context of HylyPure®, there was an emphasis on high flexibility in view of usage for different gas separation tasks and possible subsequent usage for high-pressure applications of up to 90 bar(g). The executed design consists of four packed-bed adsorbers using activated carbon as the adsorbent and an identically constructed buffer tank. In these, the breakthrough curves of a binary mixture made from equal volume fractions of methane and hydrogen were obtained at 8 bar(g) and compared to literature-based computational results. Qualitative experiments were performed in succession through the cyclical pressure swing adsorption process containing 12 individual steps. For those experiments a gas mixture reflecting the conditions of the HylyPure®-process containing 70 Vol.-% methane and 30 Vol.-% hydrogen was used. The variation of operational parameters led to a detailed discussion on the three different runs. Based on the results obtained, subsequent optimization and possibilities for a profound quantitative analysis, including the examination of the hydrogen yield under the implementation of the designated analytical possibilities, was determined.

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