Zero-Emission-Kreislaufmotor zur Rückverstromung von grünem Wasserstoff

Veröffentlicht von

Kurzfassung

Der CO2-Gehalt der Luft und die Durchschnittstemperaturen sind seit der Industrialisierung massiv angestiegen und wurden durch Eiskernbohrungen in der Antarktis wissenschaftlich nachgewiesen. Im Klimaabkommen von Paris haben sich 197 Staaten darauf geeinigt, die Erderwärmung im Vergleich zur vorindustriellen Zeit deutlich unter 2 °C zu begrenzen. Dieses Ziel kann nur durch ein Umdenken in der Energienutzung und in der Energiewandlung mit Hilfe klimafreundlicher Technologien erreicht werden. Dieser Beitrag demonstriert, dass der in den letzten Jahren in die Kritik geratene Verbrennungsmotor ein Teil dieser klimafreundlichen Technologie darstellen kann, indem regenerativ erzeugter Wasserstoff in einem hocheffizienten Zero-Emission-Kreislaufmotor zur Rückverstromung von grünem Wasserstoff genutzt wird. Als Bestandteil eines Reallabors des Verbundprojektes LocalHy werden mittels Druckelektrolyse regenerativ erzeugter Wasserstoff und Sauerstoff hocheffizient zurückverstromt. Das Brennverfahren mit direkt eingeblasenem Wasserstoff in Verbindung mit dem Kreislaufprinzip wurde an einem Einzylinderforschungsmotor im WTZ Roßlau entwickelt. Die Untersuchungen zeigen, dass mit dem Kreislaufprinzip ein sehr stabiles Glühstift-Brennverfahren mit hohen Wirkungsgradvorteilen im Vergleich zum luftansaugenden Verbrennungsmotor darstellbar ist. Zusätzlich ergeben sich durch das Kreislaufprinzip Emissionsfreiheit und neue Freiheitsgrade. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden in dieser Veröffentlichung dargestellt. Im Anschluss an die Einzylinderuntersuchungen wurde das Brennverfahren auf einen Vollmotor übertragen. Durch die Erkenntnisse der Einzylinderuntersuchungen konnten Motorparameter wie Literleistung und Verdichtungsverhältnis sowie die Wasserstoffinjektoren und die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik des Kreislaufprinzips weiter optimiert und in einer im WTZ Roßlau entwickelten Motorsteuerung appliziert werden.

Als Teil des oben genannten Reallabors wird der Vollmotor als Demonstrator-BHKW zusammen mit der Elektrolyseanlage, einer Wasserstofftankstelle und einer mit zusätzlichem Sauerstoff betrieben Kläranlage in Sonneberg, Thüringen auf dem Gelände eines Klärwerkes betrieben.

 

1 Einleitung

Eiskernbohrungen in der Antarktis zeigen einen massiven Anstieg des CO2-Gehaltes der Luft und eine damit verbundene Erhöhung der Durchschnittstemperatur seit Beginn der Industrialisierung. Ursache sind zweifelsfrei anthropogene Effekte.

Im Klimaabkommen von Paris im Dezember 2015 einigten sich 197 Staaten auf ein neues, globales Klimaschutzabkommen. Das globale Ziel ist die Erderwärmung im Vergleich zur vorindustriellen Zeit deutlich unter 2 °C und als Zielwert auf 1,5 °C zu begrenzen [2]. Um dieses Ziel zu erreichen, sieht der nationale Klimaschutzplan Deutschlands vor, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 55 % und bis 2050 um 80 … 95 % im Vergleich zu 1990 zu reduzieren [3]. Der Klimawandel fordert ein Umdenken in der Energienutzung und in der Energiewandlung. Er stellt Herausforderungen an die Energieerzeuger und fordert die Entwicklung neuer klimafreundlicher Technologien. Dem stehen die zu gewinnende Kundenakzeptanz und ökonomische Aspekte entgegen, um Sekundäreffekte wie „Carbon-Leakage“ zu vermeiden. Diese Ziele können nur durch die Energiewende erreicht werden.

Diese fordert:

    • Die Reduzierung des Energieverbrauches
    • Verlagerung des Verkehrs zu umweltfreundlichen Verkehrsträgern
    • Steigerung der Effizienz der Energienutzung
    • Die Nutzung regenerativer und erneuerbarer Energiequellen.

Die Energiewende wird zur Diversifizierung der Energieträger und Energiewandlungsprozesse führen und forciert die Nutzung regenerativer Energieträger. Neben der starken Reduzierung der Freisetzung klimaschädlicher Kohlenstoffdioxidemissionen wird die Dekarbonisierung, die Abkehr von kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen und Energieträgern gefordert. Der Verbrennungsmotor ist in verschiedensten Anwendungen eine etablierte Technologie zur Energiewandlung, meist bei Verwendung fossiler Energieträger, wie in Bild 2 dargestellt.

Die Frage ist, ob der Verbrennungsmotor die Energiewende begleiten bzw. unterstützen kann und welche regenerativen Energieträger eine Basis bilden können. Die PTX-Ansätze liefern verschiedene aussichtsreich erscheinende Technologien. Im Hinblick auf geringste Energiewandlungsverluste bietet die Verwendung von regenerativ erzeugten Wasserstoffs (CGH2) eine aussichtsreiche Möglichkeit. Dort konkurriert der Verbrennungsmotor direkt mit der Brennstoffzelle und dem Elektromotor. In dem Verbundvorhaben LocalHy wird im WTZ das Potential der Rückverstromung regenerativ erzeugten Wasserstoffes mittels eines Verbrennungsmotors untersucht. Neben der Wirtschaftlichkeit stellt das derzeitige Image des Verbrennungsmotors im Rahmen des Abgasskandals eine zusätzliche Herausforderung dar. Der Verbrennungsmotor steht seit Jahrzehnten im Spannungsfeld der Entwicklung zwischen Emissionen und Wirkungsgrad bzw. Wirtschaftlichkeit. Daher ist das Entwicklungsziel der Zero-Emission-Kreislaufmotor zur Rückverstromung von grünem Wasserstoff. Im Beitrag werden das Verbundprojekt und die Entwicklungsschritte sowie der derzeitige Entwicklungsstand des Teilprojektes des WTZ vorgestellt.