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Alternative Brennstoffe
Wie die Gasmotorenforschung Blockheizkraftwerke zukunftsfest macht
Gasmotoren sind eine Schlüsseltechnologie für den Umbau des Energiesystems. Während sie früher mit Erdgas betrieben wurden, arbeiten Forschende heute daran, erneuerbare Gasen wie Wasserstoff mit vergleichbaren Wirkungsgraden einzusetzen. Dafür müssen einige Herausforderungen bewältigt werden.
Gasmotoren gehören keinesfalls zum alten Eisen, im Gegenteil: In Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen eingesetzt, stellen sie witterungsunabhängig und bedarfsgerecht Strom und Wärme bereit – etwa in Blockheizkraftwerken für Stadtquartiere. Auch für die Industrie und die kommunale Energieversorgung bleiben Gasmotoren relevant. Sie können Prozesswärme bereitstellen, Notstromsysteme absichern oder das Netz stabilisieren.
Wasserstoff im Gasmotor: Das unterscheidet ihn von Erdgas
Doch mit einem einfachen Brennstoffwechsel ist es nicht getan. Auch wenn die bestehende Motorentechnik weitgehend genutzt werden kann: Alternative Brennstoffe wie Wasserstoff haben andere Eigenschaften als Erdgas. Dies hat unter anderem Folgen für den Brennvorgang, den Wirkungsgrad, die Betriebssicherheit oder den Verschleiß der Bauteile.
Industrie und Wissenschaft kooperieren in Forschungsverbünden
Expertinnen und Experten in der Wissenschaft und Industrie arbeiten in Forschungsprojekten an diesen Herausforderungen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert im Rahmen des 8. Energieforschungsprogramms diverse Verbundvorhaben von Unternehmen und wissenschaftlichen Einrichtungen beziehungsweise Hochschulen.
Schadstoffarme Wasserstoffmotoren: CH2P entwickelt Technologielösungen für KWK-Anwendungen weiter
Wasserstoffbetriebene Systeme mit baugleichen Grundmotoren erreichen gegenüber erdgasbetriebenen Anlagen bislang nur geringere Leistungen. Dies reduziert den Wirkungsgrad und erschwert eine wirtschaftliche Nutzung.
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Hier setzt das CH2P-Verbundvorhaben an: Die Expertinnen und Experten aus der Industrie und Wissenschaft arbeiten gemeinsam daran, zentrale Motorkomponenten wie Kurbelwelle, Zylinderlaufbuchse, Nockenwelle und Turbolader sowie neuartige, im 3D-Druck gefertigte Einlasskanäle zu optimieren. Parallel entwickeln sie ein intelligentes Zündsystem für den reinen Wasserstoffbetrieb. Außerdem untersucht das Forschungsteam, wie sich verschiedene Ausführungen des Brennraums auf die Verbrennung auswirken. Einen weiteren Schwerpunkt des CH2P-Forschungsprojekts bildet die Entwicklung keramischer Verbundmaterialien für Kolbenringe. Die Forschenden wollen erste Prototypen in einem wasserstoffbetriebenen Motor erproben. Zusätzlich entwickeln die Projektpartner einen neuartigen SCR-Katalysator. Dieser soll die Stickoxide im Abgas reduzieren.
Neue Motorsteuerung: DekarbBHKW fokussiert auf flexiblen Wasserstoffeinsatz
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Auch das Forschungsteam von DekarbBHKW stellt sich verschiedenen Herausforderungen, um stationäre Gas-Blockheizkraftwerke durch Wasserstoff und LPG als zusätzliche Brennstoffe möglichst effizient zu optimieren. Die beteiligten Unternehmen interessiert insbesondere, welche Auswirkungen eine deutlich gesteigerte Wasserstoffbeimischung beziehungsweise 100 Prozent Wasserstoff als alleiniges Brenngas haben – mit möglichen Konsequenzen bezüglich eines effizienten flexiblen Betriebs, niedriger Schadstoffemissionen, Wartungsintervallen und der sicherheitstechnischen Ausrüstung der Blockheizkraftwerke. Dafür werden die Entwicklungen in Mikro- und Mini-BHWK-Demonstratoren auch mit Blick auf ihre Skalierbarkeit getestet. Die beteiligten Hochschulen unterstützen die Unternehmen bei den experimentellen Fragestellungen mit Messsystemen. Zudem entwickeln sie bestehende Simulationswerkzeuge weiter, um den Wasserstoffbrennprozess abzubilden und um Vorhersagen von Schadstoffbildungen prognostizieren zu können. Außerdem sollen Messdaten der bei Wasserstoff auftretenden Verbrennungsanomalien in einem Onboard-Regelungssystem erfasst und der Motorbetrieb in Echtzeit optimiert werden können.
HydroFit optimiert Bestands- und Neuanlagen für den Fuel-Switch
Mit der angestrebten schrittweisen Kraftstofftransformation ('Fuel-Switch') von fossilem Erdgas zu klimaneutralen Gasen werden in Zukunft unterschiedliche Gasgemische im Gasnetz vorliegen. Das Projektteam von HydroFit entwickelt Gasmotoren in KWK-Anlagen für diesen Fuel-Switch weiter. Dabei werden neben zukünftigen Motoren auch Bestandsanlagen adressiert, die durch HydroFit leistungstechnisch optimiert werden sollen. Um die Motoren in Zukunft nachhaltig, effizient und emissionsarm betreiben zu können, wird ein adaptives System für die Hard- und Software entwickelt. Das Ziel: Gasmotoren unabhängig von der aktuellen Kraftstoffzusammensetzung im Versorgungsnetz zu betreiben. Dazu soll das System auf zeitlich sich ändernde Gaszusammensetzung reagieren können, ohne dass Umbauten am Motor durchgeführt werden müssen. Zusätzlich wird HydroFit konstruktiv so gestaltet, dass im Betrieb befindliche Anlagen wirtschaftlich ohne Änderungen am Grundmotor nachgerüstet werden können.
NH3-Stat forscht zu Ammoniak als Brennstoffalternative
Als ein weiterer aussichtsreicher Ersatzbrennstoff zu Erdgas gilt Ammoniak. Das Gas lässt sich vergleichsweise einfach speichern und transportieren und enthält keinen Kohlenstoff. Beim Verbrennen entstehen daher wie bei Wasserstoff keine direkten CO₂-Emissionen.
© F. Wenig, LKV – Universität Rostock
Ein weiterer Vorteil: Die chemische Industrie in Deutschland verfügt bereits über große Produktionsanlagen, Transportnetze und Lagerinfrastruktur, da Ammoniak für die Produktion von Dünger und anderen chemischen Produkten benötigt wird. Allerdings ist der Einsatz von Ammoniak als alternativer Kraftstoff noch nicht weitreichend erforscht. Bisher existiert beispielsweise noch kein etabliertes Brennverfahren. Hier setzt das NH3-Stat-Forschungsteam an. Ziel des Forschungsteams ist es, das Verbrennen von Ammoniak in kolbenbetriebenen Verbrennungsmotoren besser zu verstehen, betriebssichere Brennverfahren und geeignete Abgasmesssysteme zu entwickeln sowie für entstehende Schadstoffemissionen geeignete Abgasnachbehandlungskonzepte zu entwickeln. (it)
