Wasserstoff als Antriebsenergie für

konventionelle Ottomotoren

Dr. G.R. Herdin Jenbacher AG

Einleitung Die Firma P & T Technology hat für die Nutzung der Windkraft ein neuartiges Konzept (Bild 1) der gemeinsamen Produktion von Trinkwasser und der Sicherstellung einer Stromversorgung eines Inselbetriebsnetzes entwickelt. Es wird dabei der von der Windkraftanlage gewonnene Strom in erster Linie für den Netzverbrauch produziert, die überschüssige Windenergie wird dann weiters einer Wasseraufbereitungsanlage auf Basis einer Umkehrosmose-Anlage bzw. der verbleibende Strom einem Elektrolyseur zugeführt. Verfügbarkeitsstudien zur Nutzung des produzierten und gespeicherten Wasserstoffes zeigten, daß mit Hilfe eines speziell adaptierten Gasmotors mit sehr geringen Kosten Strom in Flautenzeiten für das Inselbetriebsnetz produziert werden kann. Für die Pilotanlage in Büsum wurde daher zur erstmaligen Darstellung des Konzeptes auf das Know How der Wasserstofftechnologie der Jenbacher AG zurückgegriffen und ein Motor des Types J 156 installiert. Am Markt verfügbare Brennstoffzellen konnten während der Projektbearbeitung keine überzeugenden Vorteile bei Kosten und Wirkungsgrad gegenüber dem speziell entwickelten Gasmotor nachweisen.

Bild 1: Schema P&T-Konzept zur Produktion von Strom, Reinwasser und Wasserstoff/Sauerstoff. Demonstrationsanlage mit Jenbacher Motor J 156 Das Bild 2 zeigt die Saugseite des Magermotors inclusive Generator und Schaltschrank. Unter dem Motor sind der Abhitzekessel und die Wärmetauscher untergebracht. Das Bild 3 zeigt die Abgasseite und die Aufladegruppe sowie den Gasmischer des gesamten Aggregates.

Bild 2: Saugseite J 156 für H2-Betrieb

Bild 3: Abgasseite J 156 für H2-Betrieb Um das Investment so klein wie möglich zu halten, wurde der Motor in einen 30"-Container eingebaut, ebenso wurde in diesen Container die gesamte Lüftungs- und Schaltanlage integriert. Die Bilder 4 und 5 zeigen den Einbau im Container.

Bild 4: Container Package J 156 – Anschlußseite für Medien

Bild 5: Container Package J 156 - Generatorseite Vergleiche Wirkungsgrade Erdgasbetrieb/H2 Betrieb Für den Betrieb mit wasserstoffhaltigen Gasen hat die Jenbacher AG eine langjährige Erfahrung. So wurden beispielsweise Anlagen für Stadtgas (Koksgas) mit Wasserstoffanteilen bis über 60 % optimiert und verkauft. Die größte von JAG gelieferte Anlage dieser Art wird in Spanien (Profusa) betrieben. Insgesamt sind dort 12 Motoren des Types J 316 bereits mehr als 40.000 Betriebsstunden im Einsatz. Auch bei kleineren Anlagen konnte die Kraftstoffkomponente Wasserstoff als sehr gut geeignete Alternative zu Erdgas nachgewiesen werden. Hier wäre die Anlage der Fa. Krems Chemie mit 4 x J 320 Motoren erwähnenswert, wobei als Kraftstoff ein Abfallgas aus der Formaldehydproduktion, mit einem Heizwert von 1,8 MJ/Nm³ (entspricht einem zwanzigstel von Erdgas) verwendet wird. Die Laufzeit dieser Motoren beträgt ebenfalls weit über 40.000 Betriebsstunden pro Motor. Weitere Erfahrungen konnten auch mit Pyrolysegasen (Thermoselect) und diversen Gasen von Holzvergasungsanlagen gewonnen werden.

Das Projekt der P&T war für die Jenbacher AG eine besondere Herausforderung, da es sich hier um die Nutzung von reinem Wasserstoff in einem Stationärmotor handelt. Mit den Erfahrungen bisher ausgeführter Anlagen konnte die Adaptierung des obig angeführten Motors durchgeführt werden und die Ergebnisse sind aus unserer Sicht als beachtlich zu betrachten. Der Wasserstoff ist grundsätzlich für die Magermotortechnologie sehr gut geeignet, da die NOx-Emissionen bei sehr magerer Verbrennung gegen 0 gehen. Das Bild 6 zeigt die Wirkungsgrade des Motors J 156 in zwei verschiedenen Einstellungen mit Erdgas (TA-Luft Standard und 1/2 TA-Luft) und mit reinem H2. Der Betrieb mit reinem Wasserstoff zeigt ein deutlich besseres Wirkungsgradverhalten auch im unteren Lastbereich. Durch nicht verfügbare Turbolader liegt jedoch die Leistungsausbeute des Aggregates etwa bei einem Drittel der Erdgasversion. Die NOx-Emissionen sind an der Nachweisgrenze deutlich unter 5 ppm, also kann von einem Zero-Emission-Concept gesprochen werden. Der Ottomotor emittiert dann NOX-Werte in gleicher Größenordnung wie eine Brennstoffzelle.

0 20 40 60 80 100 120 140 160power [kW]

25

27

29

31

33

35

37

39efficiency [%]

pure H2 NOx < 5 ppm

TA Luft – 500mg NOx/Nm³

½ TA Luft – 250mg NOx/Nm³

Bild 6: Vergleich Wirkungsgrad und NOx-Emissionen bei Erdgas und H2 In Bild 7 sind die wesentlichen Verbrennungsparameter gezeigt. Als Lastpunkt wurden 68 kW für Erdgas/Wasserstoff (ist Volllast für H2) festgelegt. Der Ottomotor mit Wasserstoff wird bei einem Lambda von 2,58 betrieben. Im Vergleich dazu beträgt das Lambda im Betriebsfall von Erdgas 1,62. Die magere Fahrweise drückt sich auch bei den Abgastemperaturen aus, so beträgt die Abgastemperatur im Fall vom Erdgas 530°C und bei H2 lediglich 395°C. Für die Turbine bedeutet dieser Effekt ein wesentlich geringeres Arbeitsvermögen, so daß für zukünftige Optimierungen speziell an der Aufladung Arbeitsschwerpunkte zu setzen sind.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3air/fuel ratio

0

100

200

300

400

500

600exhaust temperature [°C]

2.58

1.62

395

530

air/fuel ratioH2 NG 250 mgNOx/Nm³ H2 NG 250 mgNOx/Nm³

exhaust temperature

Bild 7: Verbrenungsparameter

Wie bereits erwähnt, wird bei Wasserstoffbetrieb das Lambda so groß wie möglich fixiert, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Grundsätzlich hat jeder Kraftstoff, ausgelöst durch die Verbrennungstemperaturen, eine unterschiedliche NOx-Generation zur Folge. Das Bild 8 zeigt die typischen Verläufe von Benzin, Erdgas und H2. Weiters wird der Betriebspunkt der mageren Einstellung durch die Zündgrenzen limitiert. Diese Betrachtungsweise gilt immer für eine homogene Gemischbildung. Für Motoren mit Schichtladung, wie sie bereits für Fahrzeugottomotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung angeboten werden, gelten je nach Motorkonzept andere Aussetzergrenzen. Die genaue Betrachtungsweise des Bildes ergibt, daß der Wasserstoff das größte Potential bei der Reduzierung der NOx-Emissionen hat. Wichtig dabei ist, daß das Lambda deutlich über 2 sein muß, um diese Zielvorgabe einzuhalten. Als weiterer Gesichtspunkt müssen hier die weiten Zündgrenzen des Wasserstoffes berücksichtigt werden, da es sonst zu Verpuffungen (Saugseite/Abgasseite) kommen kann.

0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.50

10

20

30

40

1 air/fuel ratio

lean limitshydrogen

NG

gasoline

leanrich

NOx emission [g/kWh]

Bild 8: Emissionen und Zündgrenzen verschiedener Kraftstoffe Die Zündgrenzen von vier verschiedenen Kraftstoffen sind in Bild 9 gezeigt. Der Wasserstoff und das CO sind aus Sicht der Verbrennungsentwickler sehr günstige Kraftstoffe mit weiten Zündgrenzen. D.h., an die Gemischbildungseinheit bestehen nur bescheidene Anforderungen. Für Erdgasanwendungen sind die Anforderungen an die Gemischbildungseinheit wesentlich größer. Inhomogenitäten bei der Gemischbildung führen im Fall von H2 und CO als Kraftstoff zu höheren NOx-Emissionen und nicht zu Zündaussetzern.

9.83

1.952.94

2.04

0.14

0.59

0.14

0.33

H2 CH4 CO C3H8

0.1

1

10air/fuel ratio

Bild 9: Zündgrenzen verschiedener Kraftstoffe

Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Benzinmotoren muß im Gasmotoren-Business der Entwickler sehr genau Bescheid über die physikalischen Eigenschaften des für den Gasmotor vorgesehenen Gases wissen. Primär sind hier mehrere Parameter zu berücksichtigen. So sind neben dem Heizwert auch die Zündgrenzen, der Luftbedarf für die stöchiometrische Verbrennung, die laminaren Flammengeschwindigkeiten, die Methanzahl und anderes wichtig. Das Bild 10 zeigt z.B. den Einfluß auf die Gemischbildungseinheit bei der Verwendung von verschiedenen Gasen. Links im Bild ist der Luftbedarf für die Verbrennung von Wasserstoff mit 2,37 m³ Luft/m³ Gas angegeben. Rechts im Bild ist das Luft-/Kraftstoffverhältnis von Butan mit 32,2 m³ Luft/m³ Gas zu sehen. D.h., der Kraftstofftyp hat entscheidenden Einfluß auf die Gemischbildungseinheit. Im Falle von Benzin ist die volumetrische Zumessung wesentlich einfacher darzustellen als im Gasbetrieb.

2.374.77

9.35

24.2

32.2

0

5

10

15

20

25

30

35m³ air/m³ gas

H 2landfill gas(50%CH4 )

CH 4 C3H 8 C4H10

Bild 10: Luftbedarfe für verschiedene Gase Für die ausgeführte Anlage in Büsum mußte daher der Gasmischer entsprechend angepaßt werden. Wegen der nur gering verfügbaren Zeit wurde das Konzept des Erdgasmotors übernommen. In diesem Fall befindet sich der Gasmischer vor dem Verdichter des Turboladers. Der Aufbau ist in Bild 11 dargestellt.

turbineexhaust

throttle

air

fuel

engine

generatorcompressor

mixingdevice

Bild 11: Gasmischerkonzept vor Turbolader

Optimierungsschritt für H2-Betrieb Das Konzept der Gemischbildung vor dem Turbolader hat den Vorteil, daß ein mit geringem Druck anstehendes Gas von dem Motor verwendet werden kann. Im Fall der P&T-Anlage steht Druck mit bis zu 200 bar zur Verfügung und die im Kraftstoff gespeicherte Energie (Druck) kann zweckmäßigerweise bei einem Konzept der Gemischbildung nach dem Turbolader ebenso genützt werden. Das Bild 12 zeigt den schematischen Aufbau dieses Gemischbildungstyps. Der Vorteil dieses Konzepts besteht aus Sicht der Aufladung in dem Potential des nicht zu verdichtenden Anteiles an Wasserstoff, damit können bei gleicher Aufladegruppe ca. 5 – 10 % höhere Lasten gefahren werden. Weiters wird durch die Reduzierung des Volumsanteiles des hochzündfähigen Gemisches eine mögliche Rückzündung verhindert.

exhaust valve inlet valve

gas injection valve

Bild 12: Gemischbildungseinheit vor dem Einlaßventil Für den zweiten Entwicklungsschritt zur Darstellung des Gesamtkonzeptes wird auf eine verfügbare Einrichtung der Firma Hörbiger zurückgegriffen. Dieses Konzept hat bereits durch den Einsatz bei BMW und MAN seine Tauglichkeit nachweisen können. Das Bild 13 zeigt den Aufbau des Einblaseventils für Wasserstoff.

Bild 13: Gaseinblaseventil der Fa. Hörbiger

Im Bild 14 ist das Schema der Vollausrüstung eines Motors gezeigt. Prinzipiell hat jeder Zylinder sein eigenes Gaseinblaseventil mit zugehöriger Regelungs- und Überwachungseinrichtung. Der Gaseinblasevorgang erfolgt parallel mit der Öffnung des Einlaßventiles. Das Lambda und die Gemischbildung wird durch die Position zum Ladungswechsel OT und der Dauer des Einblasevorganges beeinflußt. Transiente Lastwechselvorgänge können mit diesem Konzept sehr einfach beherrscht werden, für sogenannte „Inselbetriebszustände“ ist dieses aufwendigere Konzept notwendig.

Bild 14: Schema Gaseinblaseventile und Regelungsorgane Wie bereits in der Einleitung erwähnt hat sich die Firma P&T Technology entschieden, auf ein am Markt verfügbares Konzept aufzubauen und keine Brennstoffzellen zu verwenden. Dazu gibt es aus Sicht des Motorherstellers mehrere wichtige Vergleichsargumente: 1. Vergleich spezifischer Kosten (Bild 15):

Am Markt gibt es derzeit nur eine verfügbare (kommerzielle) Brennstoffzelle des Types PAFC von Firma Onsi. Die spezifischen Kosten dieses Brennstoffzellentyps sind etwa 10 mal so groß wie von vergleichbaren Gasmotoren (Vergleich Gesamtsystem). D.h., für eine marktfähige Umsetzung müßte eine Förderung von 90% ausgesprochen werden, um mit einem Gasmotor konkurrieren zu können. Andere Brennstoffzellentypen befinden sich erst im Laborstadium und sind für kommerzielle Anlagen derzeit nicht verfügbar.

2. Vergleich spezifisches Gewicht (Bild 15): Das spezifische Gewicht einer Brennstoffzelleneinheit (z.B.für Biogas) liegt ebenfalls weit über dem der Gasmotoreneinheit, so daß deutlich höhere Sekundärkosten für Fundamentierung, Transport und sonstiges angesetzt werden müssen. Im Vergleich beträgt das spezifische Gewicht etwa 7 mal soviel wie das des Ottomotors.

spec. costs [DM/kWel]

0200040006000

80001000012000

spec. weight[kg/kWel]

11.00090

1.200 13

specific costs spezific weightPAFC

bio gas 200kWONSI

PAFCbio gas 200kW

ONSI

gas enginebio gas 200kW

gas enginebio gas 200kW

source: faircolon – sewage gas FC – Köln Rodenkirchen

0204060

80

100120

Bild 15: Vergleich von spez. Gewicht und spez. Kosten 3. Lebensdauerverhalten (Bild 16):

Die bisherigen Erfahrungen der Verwendung von Brennstoffzellen des Typs PAFC haben gezeigt, daß sich die guten Wirkungsgrade von anfänglich 40 % über der Laufzeit deutlich verschlechtern. So sind Wirkungsgradeinbußen bis 30.000 Stunden von 10 %-Punkten bekannt (ηel.), damit ist dieser Brennstoffzellentyp einem Gasmotor entsprechend unterlegen, der nach einem Wirkungsgradgewinn zum Beginn auf einem konstanten Niveau bleibt.

0 5 10 15 2025

30

35

40

45η el. [%]

ONSI FC25A Darmstadt-Eberstadt

ONSI FC25A withGroningen

NG

J316 GS

running hours in 1000hsource: VDI 1195

Bild 16: Wirkungsgradvergleich PAFC System/Gasmotor 4. Instationärverhalten (für Inselbetriebsnetze):

Alle bekannten Brennstoffzellentypen (das gilt für Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen) haben im Vergleich zu den Verbrennungsmotoren im besten Fall ein sogenanntes "zügiges" Lastaufnahmeverhalten. Motoren reagieren hier im Bereich von 40 - 100 msec auf Laststöße. Je nach Betriebspunkt und eingesetzter Regelungstechnik kann der Motor auf Lastabwürfe sehr schnell reagieren.

5. Empfindlichkeit der Brennstoffzellen auf diverse mit dem Kraftstoff zugeführte

Schadstoffe: Der Schwefel ist für Brennstoffzellen ein sehr kritisches Element, der die Lebensdauer von Baukomponenten sowie des "Stacks" nachhaltig beeinflußt. Das Bild 17 zeigt den

Einfluß von Schwefel aus einer militärischen Anwendung einer PAFC. So muß der Katalysator bei einem typischen Schwefelanteil von 0,3 % (USA) alle 4.000 Stunden erneuert werden, je nach Anteil des zum Stack kommenden Schwefelanteiles wird ebenso auch die Lebensdauer des Stacks beeinflußt. Der Wirkungsgradeinfluß durch diverse Vergiftungen ist im Bild 17 nicht angegeben. Im Vergleich dazu werden typische Überholungsarbeiten bei Gasmotoren nach Laufzeiten von 40.000 Betriebsstunden durchgeführt. Die grundsätzliche Auslegung beträgt bei Stationärmotoren 80.000 Betriebsstunden.

0

20000

40000

60000

80000

1. Qrtl. 2. Qrtl. 3. Qrtl. 4. Qrtl.catalyst in thereformer

stack gas engine smalloverhole

gas engine grandoverhole

[hours]

Bild 17: Lebensdauervergleich PAFC System/Gasmotor Das Bild 18 zeigt das Teillastverhalten der PAFC von ONSI. Zwischen 50 bis 80 % Last überschreitet der Wirkungsgrad (el.) den Schwellwert von 40 %, der thermische Wirkungsgrad liegt zwischen 32 bis knapp über 40 %. Speziell im unteren Lastbereich sinkt der Anteil an nutzbarer Wärme wegen des sinkenden Temperaturniveaus.

0 50 100 150 2000

20

40

60

80

100

electrical output [kW]Source: HGC/ONSI

efficiency [%]

fuel efficiency (Σ therm. + el.)

thermal efficiency

electrical efficiency

Bild 18: Wirkungsgrad el. und thermisch Teillastverhalten PAFC 6. Bei genauerer Betrachtung des Wirkungsgradverlaufes (el.) über der Last

(Teillastverhalten) ist festzustellen, daß speziell die PAFC nur im mittleren Lastbereich gegenüber modernen Gasmotoren einen Vorteil hat. Im unteren Lastbereich (unter 40 % Last) ist das Teillastverhalten schlechter als das eines optimierten Gasmotors, im Lastbereich unter 30 % sogar schlechter als das eines Lowcost-Gasmotors (Bild 19).

7. Sehr ungünstig ist das Analyseergebnis der PAFC im Fall der Gesamtausbeute (Strom und Wärme) im Teillastfall. Unter 50 % Last sinkt der an sich prinzipiell bereits schlechtere Gesamtwirkungsgrad der PAFC auf für KWK-Anwendungen untragbare Ausbeuten. Das Bild 20 zeigt den Vergleich der PAFC mit zwei verschiedenen Motorkonzepten. So hat die PAFC bei 25 % Last nur mehr eine Wärmeausbeute von 37,5 % im Vergleich zu 57 % bei den Gasmotoren. Mit diesem Problem sind alle Niedertemperatur-Brennstoffzellen konfrontiert, da im Teillastbereich das Temperaturniveau sinkt und die nutzbaren Wärmen dramatisch reduziert werden. Anbieter von zukünftigen Brennstoffzellen-Systemen kompensieren diesen Nachteil durch die Kombination mit Heizgeräten, um die Gesamtausbeute im Teillastbereich zu verbessern.

25 45 65 8520

30

40

50

load [%]Source: HGC/ONSI

efficiency [%]

J156

HEC

PAFC

100

Bild 19: Vergleich el. Wirkungsgrad PAFC/Gasmotor

60

65

70

75

80

85

90

95

25 50 75 100load [%]

fuel efficiency [%]

PAFC

J156

HEC

Bild 20: Vergleich Gesamtausbeute Strom und Wärme PAFC/Gasmotor Wirkungsgradpotenziale bei Gasmotorensysteme/Brennstoffzellen Sehr oft wird die sogenannte neue Technologie der Brennstoffzellen als am Beginn der Entwicklung dargestellt. Tatsächlich ist der physikalische Effekt der Brennstoffzelle rund 50 Jahre älter als der Ottomotor (1838/1839), konnte sich aber wegen der Verfügbarkeit des notwendigen Kraftstoffes (H2) nicht in Szene setzen. D.h. es handelt sich um eine Technologie wie viele andere zur Konvertierung von chem. gebundener Energie in Strom. Die

theoretischen Voraussetzungen speziell bei dem el. Wirkungsgrad sprechen an sich für die Brennstoffzellentechnologie, da es sich um eine direkte Wandlung ohne den Umweg über einen thermischen Prozess (Carnot) handelt. Ohne auf weitere Potenziale der BZ Technik einzugehen, zeigt eine analytische Betrachtung auch weitere Möglichkeiten bei den Otto/Dieselmotoren auf. In der Leistungsklasse bis 1,5 MW konnte durch die Entwicklung des HEC Verbrennungsverfahrens durch Jenbacher ein Meilenstein eines Gasmotorwirkungsgrades mit 44 % erreicht werden. Bei Leistungsgrößen über 10 MW hat ein Motorhersteller bereits 48,5 % nachweisen können. Die Spezialisten der Motorenindustrie gehen heute davon aus, daß bei 50 % etwa der Plafond erreicht wird. Auch das US Department of Energy geht mit ihrem Technologieprogramm „ARES“ von diesen Wirkungsgradpotenzialen aus (NOx Level 5 ppm), so daß das angegebene Potenzial bestimmt nicht als Schutzszenario der Motorenhersteller abgetan werden kann. In jedem Fall wird zur Zielerreichung noch einiges Geld investiert werden müssen und Know How zu erarbeiten sein. Schneller könnten bestehende Technologien zur Wirkungsgradsteigerung (elektrisch) eingesetzt werden. So ist durch einen Kombiprozess mit Dampf ein el. Wirkungsgrad von bereits knapp 50 % darstellbar und das ohne dramatische Verluste auf der „Wärmenutzungsseite“ (typisches Temperaturniveau 70/90). Durch die Anwendung eines ORC Prozesses lassen sich Wirkungsgrade bis 60 % zumindest theoretisch darstellen. Dieser Wert bedeutet jedoch mehr oder weniger dann ein Temperaturniveau wie bei einem Kondensationskraftwerk ohne Wärmeauskopplung. Im Sinn der Erfüllung der Ziele von Kyoto kann dieser Weg nicht sein, da wir mit den Ressourcen haushalten sollten. Das Bild 21 zeigt dazu die Verhältnisse in graphischer Form. Die spezifischen Kosten durch einen „add on process“ erhöhen sich etwa um 40 % im Fall eines simplen Dampfprozesses (1 MW Anlage) bzw. um 100 % bei einem ORC Kombiprozess. Aus Sicht des Ingenieurs eine interessante Aufgabe, aus Sicht der wirtschaftlichen Darstellung bei den vorgegebenen Rahmenbedingungen eine Katastrophe. D.h. solche Konzepte konnten sich trotz der deutlich besseren Wirkungsgrade wie sie bei den BZ Systemen offeriert werden nicht durchsetzen.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

gasolineengine

gasengine

gas engine+steam process

gas engine+ORC

0.370.44

0.495

0.602

efficiency

Bild 21: Wirkungsgradpotenziale bei Kombinationsprozessen mit Motoren Emissionsreduktion bei Gasmotoren durch die Verwendung von Syngas Die Kraftstoffkomponente H2 erlaubt durch die sehr gute Zündwilligkeit eine sehr magere Motoreinstellung. Die Verbrennungstemperaturen können damit so weit abgesenkt werden,

daß keine NOx-Emissionen feststellbar sind. D.h. der Gasmotor hat bei homogener Gemischbildung das gleiche Potenzial wie die Brennstoffzellen. Alle Niedertemperaturbrennstoffzellen erfordern bei nicht verfügbarem H2 einen vorgeschalteten Reformer, um den im Ausgangskraftstoff gebundenen Wasserstoff zu gewinnen bzw. energetisch durch eine „shift reaction“ verfügbar zu machen. Der mit Verlusten behaftete Reforming und Shiftprozeß ist am Beispiel von Erdgas im Bild 22 dargestellt. Rein energetisch betrachtet verbleiben für die Brennstoffzelle nach der Kraftstoffaufbereitung nur mehr rund 73,5 %, d.h. 26,5 % müssen als Wandlungsverluste in Kauf genommen werden. Hochtemperaturbrennstoffzellen haben dieses Manko nicht und daher auch bessere Voraussetzungen für höhere Umsetzungswirkungsgrade.

source: wiba – Dr. Th. Dreier

CO2

H2

CH4

losses26,47%

0,36kWh

73,53%1kWh

100%1,36kWh

steam reformer

Bild 22: Energieverluste bei der H2-Produktion für Niedertemperaturbrennstoffzellen Muß mit einem Gasmotor ein Zero-Emissionsniveau dargestellt werden, so ist derzeit ein Mix von H2, CO und Methan erforderlich. In diesem Fall muß ebenso ein Ausgangskraftstoff reformiert werden. Das aus solch einem Reaktor gewonnene Gasgemisch wird als Syngas bezeichnet. In diesem Bereich gibt es also Parallelen zur Brennstoffzelle. Da die motorische Verbrennung zur NOx freien Emissionsdarstellung keinen reinen Wasserstoff benötigt, sind die Wandlungsverluste auch wesentlich kleiner. Je nach verfügbarer Zündanlage bzw. Brennverfahren reichen H2-Anteile von 10 bis 15 % aus, die Wandlungsverluste liegen dann bei etwa 4 bis 5 %. Die Zusammenhänge sind dazu im Bild 23 zusammengestellt.

0

10

20

30

40

50

0 0,05 0,1 0,15 0,20

2

4

6

8

10

air/fuel ratio [ ]

gas composition [Vol.%] conversion losses [%]

CH4

conversion losses

H2

CO

Bild 23: Energieverluste der Syngasherstellung zur Darstellung eines Zero NOx-Gasmotors Einfluß der Verbrennungsgestaltung auf den Wirkungsgrad Der Vollständigkeit halber muß auch auf den Einfluß der Dauer des Verbrennungsprozesses eingegangen werden. Speziell bei der Verbrennungsentwicklung für Gasmotoren hat die Jenbacher AG Pionierarbeit geleistet, als Beispiele sind hier die Verbrennungsentwicklung des HEC Konzeptes sowie das der großen Baureihe (BR 6) zu nennen. Die Beschleunigung der Verbrennung ist für alle Kraftstoffe ein auszunutzendes Potenzial. Aus diesem Grund wurde auch das Verbrennungskonzept des HEC Motors (Baureihe 4) auf die kleineren BR 2 Motoren „übersiedelt“, der Wirkungsgradgewinn von 3 %-Punkten (bei Biogas) unseres kleinsten Motors (J 208) auf 39 % ist speziell für Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen von Biomasseanlagen von Bedeutung. Das Bild 24 zeigt die Wärmebilanz des wirkungsgradgesteigerten Motors für Biogasbetrieb. Im Zuge des EEG (ElWOG in Österreich) werden daher entsprechende Impulse in der Branche zur Senkung der CO2-Emissionen erwartet. Die schnellere Verbrennung des Wasserstoffes ist auch dem Bild 6 zu entnehmen, wo bei gleichem Mitteldruck ca. 2 %-Punkte bessere Wirkungsgrade festgestellt werden können.

39,0%

13,3%

4,4%

31,6%

7,3%

4,4%

exhaust

intercooler

other

mechanical

water cooling

oilcooler

J 208 V21

Bild 24: Umsetzung von stark beschleunigter Verbrennung bei Biogasen Vergleich Gasmotor mit anderen Konzepten bei der Nutzung von Biomasse Den erneuerbaren Energieträgern wird in Zukunft eine besondere Rolle zukommen. Je nach den geographischen Randbedingungen sind dann als Primärenergieträger die Windkraft, Sonne, Wasserkraft und die Biomasse zum Wohle der Menschheit einzusetzen. Im Fall der Nutzung von fester Biomasse durch thermische Prozesse schneidet der Gasmotor im Vergleich zu anderen Technologien sehr gut ab und hat derzeit das größte Wirkungsgradpotenzial bei der Verstromung. Auch die Kosten-/Nutzenseite ist bei den Verfahrensschritten Vergasung – Gasmotor am erheblich günstigsten. Seitens des Standes der Technik ist die Verstromung von Biomasse durch eine Verbrennung, in Kombination mit einem Dampfprozeß die risikoärmste Vorgangsweise. Bei einer KWK lassen sich derzeit Verstromungswirkungsgrade von etwa 14 % darstellen. Beim Lösungsansatz eines Kondensationskraftwerkes, also ohne KWK lassen sich im 20 MW Leistungsbereich bereits 31 % Verstromungswirkungsgrad erreichen. Einfache ORC Prozesse mit Wärmeauskopplung sind ebenfalls Stand der Technik, die Optimierungsgrade (sowie Kosten) sind noch als bescheiden einzustufen. Das Bild 25 zeigt Ergebnisse von ausgeführten Anlagen der genannten Konzepte. Große Entwicklungsaufwendungen sind speziell bei der Holzgasnutzung via dem Gasmotor der Gasreinigung zu widmen, da sowohl teerartige Substanzen und mit dem Gas geführte Elemente (P, Si, Cl, S, Ph, Schwermetalle u.a.) auf Motorkomponenten lebensdauereinschränkenden Einfluß haben. Die Brennstoffzellen (Hochtemperatur) werden dann von den Entwicklungen dieser Technologien profitieren, die Anforderungen sind jedoch dort um 10³ größer.

! !

8 13 18 23 28 3350

60

70

80

90

100

ORC – process4.5 MW FP

steam process5.2 MW FP

wood gasificationwith gas engine

2-3 MW FP

net. electr. efficiency [%]

fuel efficiency electr.+ therm. [%]

source: EVN

Bild 25: Vergleich verschiedener Konzepte bei der Gewinnung von Strom aus Biomasse Zusammenfassung Das von der Firma P&T Technology entwickelte Konzept der gleichzeitigen Produktion von Strom, Trinkwasser und gespeicherter Energie (in Form von Wasserstoff) aus Windkraft für Inselbetriebsnetze nützt die derzeit bestehenden Vorteile eines speziell adaptierten Gasmotors gegenüber von verfügbaren Brennstoffzellen. Bei gleichen NOx-Emissionen des Gasmotors sind die Kosten zur Systemdarstellung im Vergleich zur Brennstoffzelle bedeutend kleiner und das bei einer besseren Funktionalität des dargestellten Konzeptes. Die erreichten

Wirkungsgrade des für Wasserstoff optimierten Gasmotors mit ca. 35 % elektrisch sind für den ersten Entwicklungsschritt als beachtlich anzusehen. Vorgesehene weitere Entwicklungsschritte weisen ein kurzfristig umzusetzendes Potenzial von weiteren 4 %-Punkten auf, ohne die Vorteile des Gasmotors zu verlieren. Als wesentlicher Vorteil des Gasmotors gegenüber der Niedertemperaturbrennstoffzelle ist die bessere Wärmeausbeute im gesamten Arbeitsbereich festzustellen. Dieser Effekt ist bedingt durch die relativ tiefen erforderlichen Temperaturniveaus Vorlauf/Rücklauf bei der Brennstoffzellen-Technologie. Für KWK Systeme muß aus wirtschaftlichen Gründen immer auf die Gesamtausbeute geachtet werden. Zusätzlich ist bei den geforderten Randbedingungen des P&T Konzeptes durch den Gasmotor ein „stop and go“ Betrieb sehr einfach darstellbar, Lebensdauer und Wirkungsgradeinbußen sind nach den bei KWK Anlagen üblichen Laufzeit-/Abstellverhältnissen von 10 Stunden je Abstellung nicht zu erwarten. D.h. das System produziert bei Bedarf teuren Spitzenstrom und nicht Grundlast. Gesamt gesehen ist das von P&T Technology entwickelte Konzept ein Schritt zur ressourcenschonenden Umsetzung der Ziele von Kyoto. Das gilt sowohl für das Investment als auch für die eingesetzten Technologien. Literatur Prof.Dr.-Ing.Walter Peschka Wasserstoffantrieb für Kraftfahrzeuge ÖVK, Jänner 1997 Dr.-Ing. Christian Vogel Wasserstoff-Dieselmotor mit Direkteinspritzung, hoher Leistungsdichte und geringer Abgasemission MTZ 60 (1999) 10 Dr. Günther Herdin The new high efficiency 1,5 MW energy of Jenbacher D.I. Friedrich Gruber 23. CIMAC World Congress in Hamburg, Mai 2001 D.I. Werner Henkel D.I. Michael Wagner Dr. Günther Herdin Gemischaufbereitung im Gasmotor Vortrag im Haus der Techik, 13.06.95 Dr. Günther Herdin The Use of H2 -Content Process Gas in Gas Engines D.I. Friedrich Gruber ASME Spring Conference, Ford Collins in Colorado, 1997 Dr. Günther Herdin Engine Use of Producer Gas, Experiences and D.I. Michael Wagner Requirements Power Production from Biomass, Espoo Finnland, 1998 D.I. Michael Wagner Einsatz von Holzgas in Verbrennungsmotoren Holzgassymposium ETH, Zürich, 20.10.2000

Dr. Günther Herdin Increasing Gas Engine Efficiency AEEs annual conference 2000 in Atlanta Dr. Günther Herdin Brennstoffzelle (Irr?)-Weg D.I. Michael Wagner Vortrag anläßlich des 6. Wiener Expertenforums, 1996 D.I. Michael Zoglauer Die Erwartungen in Projekte zur Entwicklung und Demonstration von Brennstoffzellen VEO Journal 6/2001 D.I. Heinrich Wilk Brennstoffzellen: Betriebsweisen und Systemeinbindung aus Sicht eines EVU VEO Journal 6/2001 D.I. Michael Scheefer Anwendungen mit PEM-Brennstoffzellensystemen und D.I. Zeljko Barisic Erfahrungen mit dem ersten 250-kW-PEM Brennstoffzellen BHKW in Europa VEO Journal 6/2001 Harald Raak, Sulzer Hexis AG Die Heizung, die auch Strom erzeugt Sulzer Technical Review 3/2001 Dr.-Ing. Thomas Dreier Wasserstoff und Methanol - Techniken und Systeme einer Wasserstoff-Energiewirtschaft EVN Forum, Maria Enzersdorf, 6. November 2000 Dr. Ing. Manfred Fortnagel Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle - Potenziale und Grenzen für den Automobilbau AVL Motor und Umwelt 2001 Steven Chalk Vorteile und Herausforderungen von fortschrittlichen Antriebssystemen, die vom U.S. Department of Energy gefördert werden AVL Motor und Umwelt 2001 D.I. Ulrich Langnickel Einsatz von Klärgas in einer Brennstoffzelle D.I. Knut Stahl Gas/Wärme International 3/2001 Kontakte P & T Technologie AG An der Alster 3, D - 20099 Hamburg D.I. Jens A. Peters, Vorsitz Tel.: 0049 (0)40 28 40 65 0, Fax: 0049 (0)40 28 65 25

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D.I. Norbert Hetebrüg Tel.: 0049 - (0)621 77094 12, Fax: 0049 (0)621 77094 70 E-Mail: norbert.hetebrueg@jenbacher.com Jenbacher AG. Vertriebsniederlassung Nord, Alstedder Esch 49 D.I. Joachim Pott 49479 Ibbenbühren Tel.: 0049 (0)5451 99 63 30, Fax: 0049 (05451) 99 63 31 E-Mail: j.pott@jenbacher.com Jenbacher AG Achenseestraße 1 -3, A - 6200 Jenbach D.I. Schneider Martin Tel.: 0043 (0)5244 6002507, Fax: 0043 (0)5244600 42507 E-Mail: m.schneider@jenbacher.com