„ReNOx“:
Erforschung motorischer Verbrennungsprozesse mit 20 vol.-% Wasserstoffbeimischung

Einleitung

Innerhalb der nächsten Jahre sind für Betreiber von BHKWs mit Erdgas- und Biogasmotoren, dem häufigsten Anlagentyp aus der BHKW-Klasse, zwei wesentliche Änderungen zu beachten, die von der Technologie nach dem Stand der Technik nicht kompensiert werden können. Diese werden zukünftig umfangreiche Umrüstungen der Kraftwerkstechnologie erfordern.

Zum einen handelt es sich um die Verschärfung der Abgasgrenzwerte für Gasmotoren entsprechend dem Beschluss der Bundesrepublik Deutschland vom August 2018. In diesem werden insbesondere die Emissionsgrenzwerte von Stickoxiden auf 100 mg/Nm³ (auch Biogasmotoren: 100 mg/Nm³) begrenzt.

Zum anderen wird sich voraussichtlich eine weitere Änderung aus der steigenden Attraktivität von H₂ als Brennstoff ergeben. Die Klimapolitik der Bundesregierung sieht die Möglichkeit zur Nutzung von Überschussstrom über das Power-to-Gas(PtG)-Konzept als attraktive Lösung an und fördert bereits mehrere Forschungsprojekte. Da Speichermöglichkeiten für Wasserstoff begrenzt und kostenaufwändig sind und eine Weiterverarbeitung in bspw. CH₄ zusätzlichen Energieaufwand bzw. Wirkungsgradverluste bedeutet, stellt das direkte Einspeisen in das vorhandene Erdgasnetz eine attraktive Lösung da. Heute liegt der Grenzwert bei 2 %, allerdings wurden Konzentrationen bis zu 10 % im Erdgasnetz bereits erfolgreich getestet.

Projektziel

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Prozesses für stationäre Gasmotoren für die variable Wasserstoffeinspeisung bis 40 % Brennstoffanteil unter Einhaltung der NO_x-Emissionen bei magerer Betriebsweise. Dazu werden die Auswirkungen erhöhter Wasserstoff-Konzentrationen auf die Magergrenze bei variierenden Prozesstemperaturen erforscht und in dynamischen Betriebskennlinien dargestellt. Zur Verbesserung der Klopffestigkeit wird erstmalig in diesem Leistungsbereich deine Bypass-Regelung des Turboladers realisiert. Weiterhin soll eine effiziente AdBlue-SCR-Abgasreinigung auf Basis eines Innovativen virtuellen NO_x-Sensors entwickelt werden. Aus der Betriebskennlinie wird durch Regressionsanalysen unterstützt eine dynamische Anlagenregelung entwickelt.

Projektbeschreibung

Am Motorprüfstand der Hochschule Ansbach werden Erdgas-Wasserstoffmischungen bis 20 vVol. % eingestellt. Gleichzeitig werden das Luftverhältnis und der Zündwinkel variiert. Auswertungen höherer Wasserstoffkonzentrationen bis 40 vol.- % erfolgen in einem späteren Schritt.