Reformgasmotor
Entwicklung eines neuartigen Reformgasmotorkonzepts zur Wirkungsgradsteigerung von Gasmotoren
Kurzbeschreibung
Die Stromerzeugung durch Blockheizkraftwerke (BHKW) ermöglicht insbesondere bei Großgasmotoren ab 100 kWel eine Energienutzung mit akzeptablen Wirkungsgraden. Auch bei kleineren BHKW zur kleinräumigen Energieversorgung ist ein möglichst hoher Wirkungsgrad aus Gründen des Klimaschutzes wünschenswert, wird von den am Markt verfügbaren Anlagen aber noch nicht zufriedenstellend erreicht.
Durch die Reformgasmotortechnologie der ECC Automotive GmbH und der Oel-Waerme-Institut GmbH soll bei kleinen und mittleren Gasmotoren eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrads von derzeit etwa 35% auf über 40% Gesamtwirkungsgrad elektrisch dargestellt werden. Dies kann die Marktchancen und die Umweltbilanz von kleinen und mittleren BHKW entscheidend verbessern.
Arbeitsziele des Projekts
Ziel des Projekts ist der Nachweis einer Wirkungsgradsteigerung um ca. 20 % mittels Methanreformierung durch Nutzung der Abgaswärme bei Verbrennungsmotoren. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein optimiertes Gesamtsystem bestehend aus Verbrennungskraftmaschine, Reformer sowie Hilfsaggregaten, wie z.B. Wärmetauscher und Kondensatoren, benötigt. Im Rahmen des Projekts wird der Verbrennungsmotor thermodynamisch auf den neuen Kraftstoff optimiert, wobei besondere Randbedingungen, wie sie etwa aus der leichten Entzündlichkeit hoch wasserstoffhaltiger Gase im Motorbetrieb vorliegen, durch gesonderte Maßnahmen berücksichtigt werden. Erstmals soll hierbei auch ein integrierter Reformer dargestellt werden, der im Prozess zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der Turboladerturbine angeordnet wird. Diese Anordnung erlaubt die Nutzung wesentlich höherer Abgastemperaturen als es bei einer Reformeranordnung nach Turbolader oder bei einem Saugmotor der Fall wäre. Das Druckverhältnis bei der Aufladung soll etwa 1,5 betragen, um eine möglichst große Wärmemenge für die Reformierung bereitstellen zu können.
Neben der Verbrennungskraftmaschine wird auch für den Reformer eine dem Einsatz entsprechende optimale Bauform entwickelt. Zwar sind eine Vielzahl von Bauweisen dargestellt worden, etwa für den Einsatz mit Brennstoffzellen, allerdings machen die geänderten Randbedingungen hinsichtlich Medienführung und hohen Temperaturgradienten eine grundlegende Neuentwicklung erforderlich.
Arbeitsaufgaben
Für das Reformgaskonzept soll als Verbrennungskraftmaschine ein Viertakt-Ottomotor mit Turboaufladung und homogener, stöchiometrischer Betriebsweise eingesetzt werden. Trotz der bewährten Arbeitsweise besteht für den spezifischen Anwendungsfall ein hoher Entwicklungsbedarf. Hierzu zählen unter anderem folgende Punkte:
- Betrieb des Verbrennungsmotors mit wasserstoffhaltigen Brenngasen:
Der Betrieb von Verbrennungsmotoren mit hoch wasserstoffhaltigen Brenngasen ist problematisch wenn eine äußere Gemischbildung eingesetzt wird, da dann die Gefahr eines Flammrückschlagens in das Saugrohr besteht. ECC hat alternativ eine Lösung entwickelt, mit der gefahrlos eine äußere Gemischbildung eingesetzt werden kann. Diese soll mit dem Reformgasmotor erstmalig eingesetzt werden.
- Minimierung der Wärmeverluste:
Bei konventionellen Viertaktmotoren werden etwa 30% der Brennstoffenthalpie mit der Kühlwärme abgeführt. Beim Reformgasmotor sollen diese Wärmeverluste reduziert werden um mehr Energie für den Reformierungsprozess bereitzustellen. Hierzu wird von ECC ein eigens für diesen Anwendungsfall konzipierter Ventiltrieb eingesetzt, der die Vereinigung der Abgaskanäle von drei Zylindern auf kürzestem Weg im Zylinderkopf ermöglicht.
- Reformierung:
Das OWI besitzt langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Reformierung. Schwerpunktmäßig waren und sind die Reformierung von flüssigen Energieträgern für mobile Anwendungen Gegenstand aktueller Forschung. Im Fall der Dampfreformierung von Methan durch Abgaswärme liegt die Herausforderung in erster Linie in einer optimalen Wärmeausnutzung und einer für den Einsatzfall optimierten Medienführung sowie einer hohen Temperaturfestigkeit über die Lebensdauer.
- Abstimmung des Gesamtprozesses
Die Herausforderung beim Reformgasmotor besteht darüber hinaus in der Abstimmung des Gesamtprozesses. Je nach Brennstoffzufuhr ändern sich der Dampfbedarf, das Temperaturniveau der Reformierung, die Reformgaszusammensetzung, die motorische Verbrennung sowie die Abgastemperatur, welche wiederum für die Reformierung maßgeblich ist. Die Wechselwirkungen dieser Faktoren untereinander müssen erfasst werden, um die Grundlage für eine spätere Regelung des Prozesses bzw. die Definition eines Betriebsfelds, zu bilden.
Projektpartner
- ECC Automotive GmbH, Eschweiler
- OWI Oel-Waerme-Institut GmbH, Herzogenrath
Projektförderung
Das Projekt wird gefördert durch das Land Nordrhein-Westfalen und die Europäische Union (EU) im Rahmen des „Ziel 2-Programms 2007-2013 (EFRE)“.
Projektstart
Juli 2012
Projektende
September 2015