Biogas-Reformgasmotor

Entwicklung eines neuartigen Reformgasmotorkonzepts zur Wirkungsgradsteigerung von biogas-betriebenen Gasmotoren

Projektbeschreibung

Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Biogasmotoren wandeln regenerativ erzeugtes Biogas in Strom und Wärme, die in Strom- bzw. Nahwärmenetze eingespeist werden können. Dabei wird technisch bedingt mehr Wärme als Strom erzeugt. Um den Anteil der Stromwandlung von BHKW´s zu erhöhen, strebt dieses Forschungsprojekt nun die Steigerung des elektrischen Wirkungsgrads von Blockheizkraftwerken mit Biogasmotoren an. Das Konzept sieht vor, dass eine Reformereinheit integriert und mit dem Gasmotor gekoppelt wird. Überschüssige Wärme aus dem Gasmotor, die im Normalfall ungenutzt in die Umgebung abgeführt wird, wird zusammen mit einem Teil des Biogases durch die Reformereinheit geleitet. Dabei entsteht ein wasserstoffhaltiges Brenngas, das einen höheren Energiegehalt (Heizwert) als Biogas hat, denn die überschüssige Wärme wird teilweise im Brenngas chemisch gebunden. Das so erzeugte Synthesegas wird anschließend wieder mit dem Biogas gemischt und dem Motor zugeführt. Dies ermöglicht eine höhere Ausbeute an mechanischer Leistung und an elektrischem Strom. Die Rückgewinnung der Wärmeenergie führt so zu einem höheren elektrischen Wirkungsgrad des Systems. Zum Beispiel mit einer Heizwertsteigerung um 7,5 % kann der effektive mechanische Wirkungsgrad des Systems von 40 % auf 43 % angehoben werden. Dies kann die Marktchancen und die Umweltbilanz von kleinen und mittleren BHKW entscheidend verbessern.

Die Integration der Reformertechnologie bedeutet für den BHKW-Betrieb nicht nur mehr Flexibilität durch längere Laufzeiten bis in den Sommer hinein, sondern auch eine deutlich höhere Wirtschaftlichkeit entsprechend der Steigerung des elektrischen Systemwirkungsgrads. Mit der Reformgasmotortechnologie und intelligenten Steuerungs- und Regelungstechniken könnten BHKW´s Wärme und Strom noch bedarfsgerechter zur Verfügung stellen.

Arbeitsziele des Projekts

In einem Vorläuferprojekt wurde die Steigerung des elektrischen Systemwirkungsgrad durch die Integration der Reformereinheit in das Kraftwerk erfolgreich demonstriert. Als Brennstoff wurde hier Erdgas verwendet. Die Kopplung von Motor und Reformer soll nun für die Biogasanwendung weiterentwickelt werden. Im Projektverlauf sind motorseitig das Saugrohrkonzept, die Gemischbildung und die Verbrennung zu überarbeiten. Die Reformereinheit wird eine neue Bauteilegeneration mit reduzierter Bauteilgröße entwickelt, die gegenüber dem bestehenden Konzept optimiert ist. Als weitere technische Neuerung wird die rußfreie Reformierung von Kohlenstoffdioxid (CO₂) angestrebt. Eine relative Steigerung des Wirkungsgrads um 10 % gegenüber dem konventionellen Betrieb wird angestrebt.

Arbeitsaufgaben OWI

Reformerentwicklung

Entwicklung eines maximal thermisch integrierten Reformerkonzepts für ein Biogas-BHKW
Entwicklung einer optimalen Betriebsstrategie hinsichtlich maximaler Heizwertsteigerung durch Maximierung der Wasserstoffausbeute sowie der Vermeidung lebensdauerrelevanter Ablagerungen
Berücksichtigung seriennaher Fertigungsaspekte

Systemsimulation

Optimierung des Gesamtsystems in seiner Betriebsweise, u.a. hinsichtlich Maximierung des elektrischen Wirkungsgrads optimiert
umfangreiche Systemsimulationen zur Charakterisierung des Systems
Generierung von Parametern für einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage

Kopplungsversuch und Darstellung des Betriebs eines synthesegasbetriebenen Motors

Projektpartner

ECC Automotive GmbH, Eschweiler
OWI Oel-Waerme-Institut GmbH, Herzogenrath
Lehrstuhl Technische Thermodynamik an der Universität Siegen

Projektförderung

Das Forschungsprojekt wird gefördert mit Zuwendungen des Landes Nordrhein-Westfalen unter Einsatz von Mitteln aus dem europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) „Investition in Wachstum und Beschäftigung“.

Projektdauer

01/2017 bis 12/2019

Ansprechpartner

M.Sc. Sergej Warkentin
Tel.: 02407/ 9518-134
E-Mail: S.Warkentin@owi-aachen.de