Polygeneration in HCCI Engines : a kinetic and thermoeconomic analysis with focus on hydrogen production
Global greenhouse gas emissions should be reduced in the short term, and increasing efficiency in energy and material conversion is crucial for this. Therefore, novel conversion processes are required and polygeneration in engines poses a possible solution. However, these processes must also be competitive with the cost of conventional processes.
The aim of this thesis is to evaluate the efficiency and costs of fuel-rich operated homogeneous charge compression ignition engines for a simultaneous provision of work, heat, and base chemicals.
In literature fuel-rich operation of conventional spark-ignition engines have been proven. However, high fuel-air equivalence ratios are required for high yields of chemicals such as synthesis gas, but then spark-ignition causes misfires due to a reduced flame speed. In a few recent works, homogeneous charge compression igniting seemed promising for achieving high yields and high exergetic efficiencies. However, a comprehensive study of kinetically feasible and exergetically reasonable operating conditions in combination with an economic analysis has not yet been conducted.
Consequently, this thesis draws the question what operating conditions are feasible and reasonable, considering methane containing fuels, and reactive additives like dimethyl ether and ozone to decrease the required intake temperature and to control ignition timing. Furthermore, the exergetic efficiencies at those conditions are evaluated and the product costs calculated and compared to conventional production processes.
For this purpose, single-zone and multi-zone engine models have been developed in Python, as well as complete process concepts including hydrogen separation.
It was found that ozone is the most suitable additive since if used in small amounts, it decreases the efficiency only slightly, and can be produced on-site. With reactive additives, the engine can be operated at fuel-rich conditions, up to fuel-air equivalence ratios of 2. The exergetic efficiency reaches up to 82 % for the engine only and up to 68 % for a complete process with hydrogen purification and separation. The pressure swing adsorption process is suitable for the separation of hydrogen and the resulting hydrogen costs are found in a range of 2.7 €/kg to 7.2 €/kg, which is competitive to electrolysis processes. To date, conventional steam reforming costs less than all alternatives. The electricity is produced at low costs of 44 €/MWh to 98 €/MWh and is thus competitive to conventional and renewable power plants.
Biogas can also be converted, and CO2 emissions are then net negative. At very fuel-rich fuel-air equivalence ratios of 6 and higher, promising amounts of the base chemical ethylene are also produced.
In conclusion, homogeneous charge compression ignition engines provide electricity at low costs and hydrogen at competitive costs. Therefore, it is promising to replace conventional steam reforming plants partially by engines in the near future. This could reduce the cost of the necessary CO2 reduction and ensure base load in the power sector and chemical industry. The flexible operation of the engine could also contribute to grid stability as the share of renewable energy increases.
Die globalen Treibhausgasemissionen sollten kurzfristig gesenkt werden und ein entscheidender Faktor hierfür ist die Steigerung der Effizienz bei der Energie- und Materialumwandlung. Dazu sind neuartige Umwandlungsverfahren erforderlich und die Polygeneration in Motoren stellt eine mögliche Lösung dar. Allerdings müssen neue Verfahren auch mit den Kosten der konventionellen Verfahren konkurrenzfähig sein.
Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Wirkungsgrad und die Kosten von brennstoffreich betriebenen Verbrennungsmotoren mit homogener Kompressionszündung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) für eine gleichzeitige Bereitstellung von Arbeit, Wärme und Basischemikalien zu bewerten.
In der Literatur ist der kraftstoffreiche Betrieb von konventionellen Ottomotoren bereits erfolgreich nachgewiesen worden. Für eine hohe Ausbeute an Chemikalien wie z.B. Synthesegas sind jedoch hohe Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnisse erforderlich, die bei fremdgezündeten Motoren zu Fehlzündungen aufgrund einer reduzierten Flammengeschwindigkeit führen. In einigen neueren Arbeiten schien die homogene Kompressionszündung vielversprechend, um bei diesen Bedingungen hohe Ausbeuten und hohe exergetische Wirkungsgrade zu erzielen. Eine umfassende Untersuchung der kinetisch relaisierbaren und exergetisch sinnvollen Betriebsbedingungen in Kombination mit einer wirtschaftlichen Analyse wurde jedoch noch nicht durchgeführt.
In dieser Arbeit wird daher der Frage nachgegangen, welche Betriebsbedingungen unter Berücksichtigung von methanhaltigen Kraftstoffen und reaktiven Additiven, wie Dimethylether und Ozon zur Senkung der erforderlichen Ansaugtemperatur und zur Steuerung des Zündzeitpunkts, realisierbar und sinnvoll sind. Außerdem werden die exergetischen Wirkungsgrade unter diesen Bedingungen bewertet und die Produktkosten berechnet und mit konventionellen Produktionsverfahren verglichen.
Zu diesem Zweck wurden Einzonen- und Mehrzonen-Motormodelle in Python entwickelt, sowie komplette Prozesskonzepte einschließlich Wasserstoffabtrennung.
Es zeigte sich, dass Ozon das am besten geeignete Additiv ist, da es in geringen Mengen eingesetzt den Wirkungsgrad nur geringfügig verringert und vor Ort hergestellt werden kann. Mit reaktiven Additiven kann der Motor unter kraftstoffreichen Bedingungen bis zu einem Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis von 2 betrieben werden. Der exergetische Wirkungsgrad erreicht bis zu 82 % für den Motor und bis zu 68 % für einen vollständigen Prozess mit Wasserstoffreinigung und -abtrennung. Das Druckwechseladsorptionsverfahren eignet sich für die Abtrennung von Wasserstoff und die resultierenden Wasserstoffkosten liegen in einem Bereich von 2,7 €/kg bis 7,2 €/kg, was mit Elektrolyseverfahren konkurrenzfähig ist. Bislang ist die konventionelle Dampfreformierung kostengünstiger als alle Alternativen. Der Strom wird zu niedrigen Kosten von 44 €/MWh bis 98 €/MWh erzeugt und ist damit wettbewerbsfähig zu konventionellen und erneuerbaren Kraftwerken.
Auch Biogas kann umgewandelt werden und die CO2-Emissionen sind dann netto negativ. Bei sehr brennstoffreichen Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnissen von 6 und mehr werden auch vielversprechende Mengen der Basischemikalie Ethylen erzeugt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Motoren mit homogener Kompressionszündung Strom zu niedrigen Kosten und Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Kosten liefern können. Daher ist es vielversprechend, konventionelle Dampfreformierungsanlagen in naher Zukunft teilweise durch Motoren zu ersetzen. Dies könnte die Kosten der notwendigen CO2-Reduktion senken und die Grundlast im Stromsektor und der chemischen Industrie sicherstellen. Der flexible Betrieb des Motors könnte außerdem zur Netzstabilität beitragen, wenn der Anteil der erneuerbaren Energien steigt.