A test campaign was carried out to generate renewable hydrogen based on wood gas derived from the commercial biomass steam gasification plant in Oberwart, Austria. The implemented process consisted of four operation units: (I) catalyzed water-gas shift (WGS) reaction, (II) gas drying and cleaning in a wet scrubber, (III) hydrogen purification by pressure swing adsorption, and (IV) use of the generated biohydrogen (BioH2) in a proton exchange membrane (PEM) fuel cell. For almost 250 h, a reliable and continuous operation was achieved. A total of 560 (Ln dry basis (db))/h of wood gas were extracted to produce 280 (Ln db)/h of BioH2 with a purity of 99.97 vol %db. The catalyzed WGS reaction enabled a hydrogen recovery of 128% (nBioH2)/(nH2,wood gas) over the whole process chain. An extensive chemical analysis of the main gas components and trace components (sulfur, CxHy, and ammonia) was carried out. No PEM fuel cell poisons were measured in the generated BioH2. The only detectable impurities in the product were 0.02 vol %db of O2 and 0.01 vol %db of N2. © 2014 American Chemical Society.

Die Verbrennung fester Biomasse gewinnt als nachhaltige Form der Energienutzung zunehmend an Bedeutung. Dabei stellt die Forderung nach einem schadstoffarmen Betrieb von Biomassefeuerungsanlagen bei möglichst hohem Wirkungsgrad eine Herausforderung an deren Regelung dar. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Verbesserung eines existierenden, modellbasierten Regelungskonzepts, welches die Methode der Eingangs-Ausgangslinearisierung zur Regelung sowie einen Erweiterten Kalmanfilter zur Zustandsschätzung vorsieht. Die Arbeiten wurden in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum Bioenergy 2020+ anhand einer Versuchsanlage (Flachschubrostfeuerung mit einer Kesselnennleistung von 180 kW) durchgeführt. Dabei lassen sich eine Reihe von Störeinflüssen identifizieren, unter anderem etwa die bei dieser Anlage besonders stark ausgeprägten Schwankungen des abgebauten Brennstoffs. Die geeignete Berücksichtigung dieser Störeinflüsse im Kalmanfilter durch Formfilter wird untersucht. Ebenso erfolgt die Modellierung von variablen Totzeiten und Sensordynamiken, die bei der Messung einzelner Größen auftreten, durch zusätzliche Sensormodelle. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein neuer Kalmanfilter vorgeschlagen und implementiert. Die auftretenden Störeinflüsse führen bei der exakt linearisierten Strecke zu einer Abweichung vom geforderten linearen Übertragungsverhalten. Daher wird auch der Regler dahingehend modifiziert, dass die vom Kalmanfilter rekonstruierten Störgrößen bei der Ermittlung des nichtlinearen Zustandsregelgesetzes verwendet werden. Das modifizierte Regelungskonzept wurde abschließend an der untersuchten Anlage implementiert und experimentell verifiziert. Dabei wurden gegenüber der ursprünglichen Regelung eine deutliche Verbesserung bei der Stabilisierung von Vorlauf- und Sekundärzonentemperatur sowie eine geringere Abweichung des Verbrennungsluftverhältnisses im Brennstoffbett vom vorgegebenen Sollwert erzielt.