Erzeugung und Verwendung von Synthesegas in Verbrennungsmotoren

Wiemann, Sebastian

Die aktuell in Deutschland vorherrschenden Klimaschutzziele sehen unter anderem eine Reduktion klimaschädlicher Treibhausgase, wie z.B. Kohlenstoffdioxid aber auch Me-than, um 80 bis 95 % vor. Ein in diesem Zusammenhang immer wieder als zukünftiger Energieträger diskutierter Brennstoff ist Wasserstoff. Da es auf der Erde jedoch keine natürlichen Wasserstoffvorkommen gibt, muss dieser stets durch die Elektrolyse von Wasser oder durch Reformierung sowie partielle Oxidation aus Kohlenwasserstoffen zu Synthesegas erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher die Möglichkeiten untersucht, Synthesegas zum einen im Verbrennungsmotor zu erzeugen und zum ande-ren auch als Brennstoff im Motor zu verwenden. Bei der Erzeugung von Synthesegas im Motor durch partielle Oxidation wird auch Arbeit und Wärme produziert. Für die experimentellen Untersuchungen dieser soge-nannten Polygeneration wurde ein Einzylinder-Gasmotor bei sehr brennstoffreichen Verbrennungsluftverhältnissen mit Methan betrieben. Die Experimente wurden dabei sowohl im fremdgezündeten als auch im kompressionsgezündeten Betrieb durchgeführt, wobei letzterer durch eine Additivierung mit 5 Mol% n-Heptan unterstützt wurde. Im fremdgezündeten Betrieb konnte auf diese Weise bei einem Äquivalenzverhältnis von ϕ = 1,56 Synthesegas mit einem Anteil am Motorabgas von bis zu 16 Mol% erzeugt werden. Im kompressionsgezündeten Betrieb war eine Anfettung des Gemischs auf ein Äquivalenzverhältnis von ϕ = 2,29 bei einem produzierten Synthesegasanteil von bei-nahe 34 Mol% möglich. Dabei konnten bei beiden Brennverfahren deutliche Einflüsse des Äquivalenz-verhältnisses auf die Synthesegasproduktion festgestellt werden, wäh-rend eine Änderung der Ansaugtemperatur oder des Verdichtungsverhältnisses ver-gleichsweise geringe Auswirkungen hatte. Zusätzlich zur Synthesegaserzeugung produzierte der Gasmotor sowohl im fremd- als auch im kompressionsgezündeten Betrieb elektrische und thermische Leistung. Die Experimente zur verbrennungsmotorischen Verwendung von Synthesegas wur-den an dem fremdgezündeten Einzylinder-Gasmotor eines Blockheizkraftwerks durchgeführt. Dabei wurde der Motorbetrieb hinsichtlich Leistung und Emissionen für unter-schiedliche Synthesegaszusammensetzungen bei variablem Verbrennungsluftverhältnis und Zündwinkel untersucht. Zunächst konnten bereits in der Literatur bekannte Auswir-kungen des Synthesegasbetriebs wie höhere Brennraumtemperaturen durch die hohe Brenngeschwindigkeit von Wasserstoff und die deutliche Abmagerungsfähigkeit des Gemischs durch die niedrige Mindestzündenergie bestätigt werden. Im Vergleich zum Serienzustand mit Erdgas als Brennstoff wurde bei einem Zündwinkel von -8 °KW, einem Luftverhältnis von etwa λ = 1,95 und einem Wasserstoffanteil von ca. 50 Vol.% ein Wirkungsgradzuwachs von 1%-Punkt bei erheblich reduzierten Stickstoffoxidemis-sionen auf bis zu 50 mg/m3 erreicht. Durch eine drehmomentoptimale Anpassung des Zündwinkels auf -20 °KW konnte der Motor zwar noch magerer betrieben werden, allerdings aufgrund der höheren Verbrennungstemperaturen durch die frühere Zündung ohne weiteren Stickstoffoxidemissionsvorteil.

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Wiemann, Sebastian: Erzeugung und Verwendung von Synthesegas in Verbrennungsmotoren. 2018.

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