Projektdaten

Kurzfassung des Vorhabens

Die Energiewende in Deutschland führt aufgrund der steigenden Anteile volatiler Einspeisung zu einem steigenden Bedarf an Stromspeichern und Regelenergiekraftwerken. Bei der mittelfristig notwendigen Langzeitspeicherung von Strom ist in Deutschland die elektrolytische Produktion von Wasserstoff aus Wasser (Power-to-Gas) und die anschließende Rückverstromung eine der vielversprechendsten Optionen.

Diese Rückumwandlung von Wasserstoff kann prinzipiell mit Brennstoffzellen, Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren geschehen, wobei ein aktueller Kostenvergleich zeigt, dass Verbrennungsmotoren im mittleren Leistungsbereich derzeit eine kostengünstige und technologisch etablierte Möglichkeit der Rückverstromung darstellen. Da Brennstoffzellen zur Rückwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie noch Entwicklungspotential in Bezug auf Lebensdauer, Kosten und Zuverlässigkeit aufweisen, bietet es sich an, die bereits fortgeschrit-tene Technologie im Bereich der Verbrennungsmotoren für eine stationäre Anwendung in Blockheizkraftwerken zu nutzen.

Bisher konzentrierte sich die Forschung und Anwendung mehrheitlich auf Wasserstoff-Ver­brennungsmotoren, die mit Umgebungsluft betrieben werden. Da atmosphärische Luft Stickstoff enthält, emittieren solche Motoren vor allem in wirkungsgradgünstigen Betriebspunkten toxische und umweltschädliche Stickoxide. Ein entworfener kombinierter Verbrennungs- und Dampfprozess für einen stationären Verbrennungsmotor ermöglicht die Rück­verstromung ohne diese sonst bei Wasserstoffmotoren üblicherweise auftretenden Stickoxide. Der Prozess basiert auf der Verbrennung von Wasserstoff mit reinem Sauerstoff, welcher bei der Elektrolyse anfällt, und ermöglicht Wirkungsgrade und Leistungsdichten oberhalb derer üblicher Wasserstoffmotoren mit Direkteinspritzung. Bei der stöchiometrischen Verbrennung entsteht lediglich Wasserdampf, der als Inertgas zur Steuerung der Verbrennungstemperatur und damit zur Einhaltung der Materialgrenzwerte und Vermeidung von klopfender Verbrennung eingesetzt werden kann.  Eine thermodynamische Modellierung des Prozesses als Vergleichsprozess liefert bei semiempirischer Berücksichtigung von Wandwärme- und Reibungsverlusten einen maximalen effektiven Wirkungsgrad zwischen 50 und 60 Prozent im Vergleich zu maximal 45 Prozent in ausgeführten Wasserstoffmotoren.

Neben thermodynamischen Modellen kommen bei der Untersuchung in dem Promotionsprojekt auch numerische Methoden in Form von 3-D-CFD-Simulationen zum Einsatz, um die Einflüsse von Geometrie, Steuerzeiten, Gemischbildungsstrategie und Zündzeitpunkt zu untersuchen und zu optimieren. Die CFD-Berechnungen sollen die Entwicklung von der Konzept- in die Konstruktionsphase überführen und durch Ableitung von Konstruktionsdaten und Prozessparametern den Aufbau eines Prototypenprüfstands vorbereiten.