Einsatz der elektrischen Kapazitätstomographie zur Bestimmung der Temperatur-verteilung in Festbettreaktoren zur Konditionierung von Einsatzgasen für Brennstoffzellengeräte

Problemstellung

Im Kontext der Energiewende und der dezentralen, energieautarken Versorgung von Gebäuden spielen neben dem Einsatz neuer Technologien auch chemische Prozesse im häuslichen Umfeld eine immer größere Rolle. Eine besonders relevante Reaktion, welche in einem Festbettreaktor abläuft, ist hierbei die stark exotherme Methanisierung. Sie ist für den Betrieb von Brennstoffzellengeräten, die Überführung von Biogas in synthetisches Erdgas sowie die Umsetzung von regenerativ gewonnenem Wasserstoff zu klimaneutralem Erdgas von großer Bedeutung.

Um diese Reaktion kontrollieren und den Umsatz maximieren zu können, muss die Reaktortemperatur über ein Heiz- und Kühlsystem sowie über die Zufuhr der Reaktanten geregelt werden. Für die Prozessüberwachung und -optimierung sind demnach das axiale sowie das radiale Temperaturprofil des Reaktors von besonderem Interesse. Nach aktuellem Stand der Forschung wird die axiale Temperaturverteilung mit einem im Inneren verlegten Thermoelement-Führungsrohr invasiv gemessen, während das radiale Temperaturprofil meist nur durch mathematische Modelle beschrieben wird. Ein Verfahren, welches zur nichtinvasiven Messung derartiger Temperaturprofile eingesetzt werden könnte, ist die elektrische Kapazitätstomographie (electrical capacitance tomography, ECT).

Zielsetzung

Zunächst soll die Eignung der ECT zur Messung von Temperaturverteilungen in Festbettreaktoren untersucht werden. Dabei ist die Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der relativen Permittivität infrage kommender Schüttungsmaterialien von zentraler Bedeutung. Über den Temperatur-Permittivitäts-Zusammenhang kann dann von der gemessenen Permittivitätsverteilung auf die Temperaturverteilung geschlossen werden.

Im weiteren Verlauf des Promotionsvorhabens soll durch den Vergleich gemessener und berechneter Temperaturprofile ein geeignetes Wärmeabfuhrmodell erstellt werden. Auf dieser Basis bildet die Konzeption und Modellierung eines Methanisierungsreaktors zur Identifikation der optimalen Betriebsbedingungen den Abschluss des Projektes.

Durch den vorgesehenen Einsatz der ECT soll insbesondere das allgemeine Prozessverständnis erweitert und der Wirkungsgrad derartiger Anlagen gesteigert werden.

ECT-Messsystem, welches zur Erfassung der Temperaturverteilungen zum Einsatz kommen soll.