Der von OWI entwickelte und in den Motor integrierte HPC erweitert den Betriebsbereich des BHKWs, da die Stromkennzahl über die variable Rekuperation der Abgaswärme in einem größeren Bereich eingestellt werden kann. Die Anhebung der Stromkennzahl ermöglicht einen wirtschaftlicheren Betrieb von BHKW´s. Der Wirtschaftlichkeitsvergleich mit der Serienvariante ohne HPC zeigt, dass die zusätzliche Investition bereits nach drei Jahren rentabel ist. Der Grund dafür ist die erhebliche Brennstoffeinsparung, die mit der Technologie erreicht wird.

Die Systemintegration des HPC in das BHKW erfolgte abgasseitig so nahe wie möglich am Motor im Abgaskrümmer. Im HPC wird Erdgas mit Wasser vermischt und unter Nutzung von Wärme aus dem Motorabgas zu Wasserstoff konvertiert. Das in diesem Prozess erzeugte Synthesegas wird in den Motor als Brenngas eingeleitet. Das Synthesegas ist mit Wasserstoff angereichert und enthält bis zu 18 Prozent mehr chemisch gebundene Energie im Vergleich zu der primär eingesetzten Menge Erdgas. In diesem Prozess werden Wärmeverluste reduziert, so dass die Menge der konvertierten thermischen Energie maximiert wird. Dadurch ergibt sich eine maximale Einsparung des Primärbrennstoffes Erdgas.

Thermochemische Reformer am Motor eignen sich sehr gut, um künftig trotz schwankenden Gaskonzentrationen homogene Brenngase dem Motor bereitzustellen. Neben der Brennstoffeinsparung werden dadurch auch positive Effekte bei Wartung und Inbetriebnahmen erwartet. Durch eine geeignete Betriebsführung können so Anpassungen an der Gasdosierstrecke und Motorsteuerung entfallen.

Das Projekt Heat-Power-Converter HPC wurde mit Zuwendungen des Landes Nordrhein-Westfalen unter Einsatz von Mitteln aus dem europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) „Investition in Wachstum und Beschäftigung“ mit der Kennziffer EFRE-0801840 gefördert. Die Projektlaufzeit war vom 11/2019 bis 03/23.

Dies ist eines der Ergebnisse des Forschungsprojekts „NormAKraft – Normkonformität alternativer Kraftstoffe“, an dem unter anderen Partnern auch die TEC4FUELS GmbH und die OWI Science for Fuels gGmbH beteiligt waren. Im Projekt haben die beiden Unternehmen Untersuchungen zur Materialkompatibilität, den physikalisch-chemischen Eigenschaften und der Normenkonformität der E-Fuels durchgeführt.

Geforscht wird darüber hinaus auch an E-Fuels wie Methanol, Dimethylether, Oxymethylenether, Dimethylcarbonat und Methyformiat. Neben einer nahezu ausgeglichenen CO₂-Bilanz können sie durch ihren höheren Sauerstoffgehalt die Emissionen von Schadstoffen wie Ruß, Stickoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen teils auf nahezu null senken. Allerdings weichen ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften zum Teil deutlich von herkömmlichen Kraftstoffen ab, so dass sie einerseits nicht den geltenden Kraftstoffnormen entsprechen und andererseits für ihren Einsatz technische Veränderungen an der Motortechnik erforderlich sind.

Die Einsatzmöglichkeiten von E-Fuels liegen beispielsweise in schwer elektrifizierbaren Bereichen wie der Luftfahrt (paraffinische Kerosine gelten auf Langstreckenflügen als alternativlos), auf langen Strecken im schweren Nutzfahrzeugbereich, bei schweren Off-Road-Fahrzeugen und -Maschinen sowie im Pkw-Bestand für eine Übergangszeit bis zur Elektrifizierung aller Fahrzeuge. In der Schifffahrt befinden sich hauptsächlich Methanol und Ammoniak als E-Fuels in der Diskussion.

Regulatorische Rahmenbedingungen bremsen E-Fuels

Zwischen der technischen Reife neuer E-Fuels und ihrer Verfügbarkeit für alle Verbraucher liegen allerdings noch einige Hürden. Kraftstoffe müssen neben der Normung auch einer Reihe von weiteren europäischen und länderspezifischen Richtlinien und Verordnungen entsprechen. Zu nennen sind hier vor allem die europäische REACH-Verordnung, die Erneuerbare-Energien-Richtlinie, die Kraftstoffqualitätsrichtlinie sowie in Deutschland das Bundes-Immissionsschutzgesetz mit den einzelnen Bundes-Immissionsschutzverordnungen. Aktuell gibt es darin noch eine Reihe von Regelungen, die Investitionen in den Aufbau großtechnischer Produktionsanlagen und die Anwendung synthetische Kraftstoffe erschweren beziehungsweise verhindern. Ohne einen sicheren Rechtsrahmen ist für Investoren kein Aufbau tragfähiger Geschäftsmodelle und damit keine breite Markteinführung alternativer klimaschonender Kraftstoffe möglich.

Das Projekt »NormAKraft – Normkonformität alternativer Kraftstoffe« liefert hier wertvolle Erkenntnisse zu den technischen Randbedingungen. Es war ein Teilvorhaben der Begleitforschung zur Förderinitiative »Energiewende im Verkehr« (BEniVer) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz und wurde von der DECHEMA e.V., Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., koordiniert.

Ein Abschlussbericht mit Fact Sheets zu den untersuchten alternativen synthetischen Kraftstoffen ist auf der Website der DECHEMA verfügbar unter https://dechema.de/…

Das angestrebte hocheffiziente Gasturbinen-Kraftwerk soll für Grundlagenuntersuchungen im Labor in einem geschlossenen Kreislauf mit Methanol als erneuerbarem Brennstoff betrieben werden. Dazu entwickeln die Forschenden ein neuartiges, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von erneuerbarem Methanol in kleinem Maßstab. Für die Methanolsynthese wird zunächst Wasser mittels Elektrolyse mit regenerativ erzeugtem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgespalten. Der Wasserstoff wird zusammen mit Kohlenstoffdioxid (CO₂) zu Methanol synthetisiert. Das Methanol dient als Brennstoff für die Gasturbine und wird dort mit dem reinen Sauerstoff aus der Elektrolyse sowie superkritischem CO₂ (sCO₂) umgesetzt.

Superkritisches CO₂ steigert die Effizienz

Dies soll zu einer emissionsfreien und sehr effizienten Verbrennung mit einem Wirkungsgrad von mindestens 65 % führen. Um CO₂ in einen superkritischen Zustand zu versetzen, wird es einer Temperatur von 31 °C und einem Druck von 73 bar ausgesetzt, in dem es mehr einer Flüssigkeit als einem Gas ähnelt. Das sCO₂ sorgt bei der Verbrennung von Methanol mit reinem Sauerstoff statt Umgebungsluft dafür, dass die Temperaturen nicht zu hoch werden. Methanol als Brennstoff soll austauschbar sein gegen andere erneuerbare Energieträger wie Wasserstoff, Methan, Ethanol, Ammoniak oder Dimethylether. Als Alternative zu sCO₂ wollen die Forschenden auch Xenon untersuchen. Zum Forschungsvorhaben gehört auch eine dezentrale Kohlenstoffabscheidung und -speicherung. Das gespeicherte CO2 soll zur Herstellung des Methanols dienen. Im Gesamtprozess werden sowohl das CO₂ als auch das sCO₂ in einem Kreislauf geführt, so dass kein zusätzliches CO₂ in die Atmosphäre gelangt. Dynamische Simulationswerkzeuge wie digitale Zwillinge und Algorithmen für maschinelles Lernen sollen bei der Bewertung des Systems für verschiedene Szenarien helfen.

Einsatzmöglichkeiten für das hocheffiziente Gasturbinen-Kraftwerk bieten sich beispielsweise in energieintensiven Industrien wie zur Herstellung von Zement, Stahl, Keramik oder Glas sowie in der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung von Stadtvierteln etwa für große Gebäudekomplexe oder kritische Infrastrukturen wie Krankenhäuser etc.

OWI und TEC4FUELS untersuchen Brennstoffe und Materialien

Die OWI Science for Fuels gGmbH und die TEC4FUELS GmbH sind als Konsortialpartner an HERMES beteiligt. TEC4FUELS identifiziert erneuerbare Brennstoffe, die sich für den Einsatz im superkritischen Gasturbinenbetrieb eignen und testet ihre Eignung in einem anwendungsnahen Hardware-in-the-Loop-Prüfstand im Labor. Im Prüfstand durchströmt beispielsweise Methanol unter forcierten Bedingungen brennstoffführende Bauteile des Gasturbinensystems über 100 bis 200 Stunden. Dies liefert Erkenntnisse über die Kompatibilität des Brennstoffs mit den Materialien sowie ihre Lebensdauer mit Blick auf das Alterungsverhalten und den Verschleiß.

OWI Science for Fuels führt mit der Heat-Flux-Methode Experimente in einer Druckzelle durch zur Bestimmung der laminaren Verbrennungsgeschwindigkeit unterschiedlicher Brennstoffe und schafft damit Grundvoraussetzungen für den flexiblen Einsatz verschiedener Brennstoffe. Für eine gleichbleibend hohe Effizienz des Systems sind möglichst homogene und stabile Flammen in der Brennkammer auch beim Einsatz verschiedener Brennstoffe mit ihren unterschiedlichen Energiegehalten und Eigenschaften notwendig. Parallel dazu untersucht OWI noch das Zündverhalten der gasförmigen Brennstoffe, um optimale Startbedingungen der Turbine zu identifizieren.

Weitere Informationen unter https://hermes-energy.eu/

Das EU-Forschungsprojekt „HERMES“ wird von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms HORIZON EUROPE unter dem Förderkennzeichen Nr. 101083748 gefördert.

Ein höherer Sauerstoffgehalt im Kraftstoff könnte die Lösung des latenten Emissionsproblems aktueller Kraftstoffe sein. Auf regenerativ erzeugtem Strom basierende E-Fuels als Dieselsubstitut sind zwar klimaneutral, aber die Entstehung von lokalen Schadstoffemissionen, wie flüchtigen organischen Verbindungen, Ruß und Stickoxiden, können sie nur teilweise unterbinden. Strombasierte sauerstoffhaltige Clean-Fuels wie höhere Alkohole (mehr als 5 Kohlenstoffatome) und insbesondere höhere aliphatische Ether (mehr als 8 Kohlenstoffatome) haben in reiner Form und als Gemisch ausgezeichnete Eigenschaften als sauber verbrennender Ersatz für Straßen- und Marine-Diesel.

Entwicklung eines einstufigen Herstellungsprozesses für Clean-Fuels

Allerdings gibt es derzeit noch keinen direkten und effektiven Umwandlungsweg, um aus erneuerbaren Kohlenstoffressourcen solche höher sauerstoffhaltigen Clean-Fuels herzustellen. Neue, patentierte Erkenntnisse der Konsortialpartner zu Katalysatormaterialien mit besonderer Leistungsfähigkeit könnten in einem einstufigen Prozess eine höhere Kohlenstoff- und Energieeffizienz erreichen als herkömmliche mehrstufige Konversionsschemata. Deshalb streben die Forschenden an, die drei bisher üblichen katalytischen Verfahren zur Erzeugung und Umwandlung von Synthesegas, das aus erneuerbaren Energiequellen und nachhaltigen Konversionen gewonnen wird, sozusagen als E-Tandem in einen einstufigen Prozess zu integrieren. Die Integration der heterogen und teils homogen katalysierten Reaktionen in einen einzigen Schritt wollen die Partner als Konzeptnachweis erstellen und im Labormaßstab realisieren. Dabei sollen praktisch keine CO₂-Nebenprodukte entstehen.

Anwendungstechnische Untersuchung von Oxygenaten

OWI und TEC4FUELS forschen im Laufe des Projekts an den produkt- und anwendungstechnischen Eigenschaften des zunächst aus synthetischen Ersatzstoffen herzustellenden HOEF. Dabei analysiert OWI die physikalisch-chemischen Eigenschaften des HOEF-Gemischs höherer Alkohole sowie der Ether und gleicht die Ergebnisse auf ihre Übereinstimmung mit den Normen EN 590 (Dieselkraftstoff) und ISO 8217 (Marine Diesel) ab. Die Forschenden erwarten, dass die Ether-Version des HOEF bereits als reiner E-Kraftstoff einen dieselähnlichen Flammpunkt und eine sehr hohe Cetanzahl aufweist. Über die Normparameter hinaus untersucht OWI auch die Lagerstabilität und mögliche Mischungen des HOEF mit herkömmlichen Dieselkraftstoffen und paraffinischen Kraftstoffen wie Gas-to-Liquid und hydrierten Bioölen, die künftig zu den vorherrschenden Dieselersatzkraftstoffen im Markt zählen könnten. Darüber hinaus zählen auch Emissionsstudien des Clean-Fuels an einem stationären Brenner auf der Grundlage der Yield-Sooting-Index (YSI)-Methode zu den Aufgaben von OWI. Diese ermöglicht die Bestimmung nützlicher Kennzahlen für die Entwicklung von Kraftstoffen mit geringer Neigung zu Partikelemissionen.

TEC4FUELS untersucht in einem ergänzenden Forschungsfeld die Wechselwirkungen der HOEF-Kraftstoffe und ihrer Mischungen mit Materialien und Komponenten, mit denen der Kraftstoff bei der Anwendung als Dieselersatz in der aktuellen Flotteninfrastruktur in Berührung kommen würde. Die relevanten Kunststoffe und Metalle müssen in Lagerungs- und Korrosionstests definierten Belastungen widerstehen, die auch im realen Einsatz auftreten können. Zusätzlich werden typische Motorkomponenten in Hardware-in-the-Loop-Tests forcierten Belastungen ausgesetzt, um Erkenntnisse über Ablagerungen und Verschleiß der Komponenten und die Alterung der HOEF-Kraftstoffe in einer Laboruntersuchung zu gewinnen. Aus den Ergebnissen ist die Ableitung von Empfehlungen zur Additivierung der Kraftstoffe möglich, um die Lebensdauer der Komponenten zu erhöhen und die Alterung der Kraftstoffe zu verzögern.

Das E-TANDEM-Konsortium

• Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Koordination)
• Max-Planck Gesellschaft zur Forderung der Wissenschaften e.V.
• Danmarks Tekniske Universitet
• OWI Science for Fuels gGmbH
• Uniresearch B.V.
• TEC4FUELS GmbH
• AVL LIST GmbH
• GoodFuels B.V.
• University of Zagreb, Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture
• King Abdullah University of Science and Technology
• University of Cape Town

Weitere Informationen finden Interessierte im Internet unter www.owi-aachen.de und www.tec4fuels.com

Über die TEC4FUELS GmbH

Tec4Fuels ist ein Kompetenzzentrum für konventionelle und alternative Brenn-, Kraft-, Treib- und Schmierstoffe (Fuels) und deren Anwendung in bestehenden und neuen Technologien. Das Unternehmen erbringt Dienstleistungen in der Forschung und Entwicklung von technischen Komponenten und Produkten, Systemen und Energieträgern sowie deren Anwendung im Energiemarkt für Fuels. Tec4Fuels bietet ergänzend zu Prüfverfahren und Kraftstoff-Checks auch mit F&E verbundene Beratungs- und sonstige Dienstleistungen an. Hierzu gehören auch die Prüfung und Zertifizierung, die Vermittlung sowie die Herstellung und der Vertrieb der Produkte.

TEC4FUELS unterstützt seine Kunden auf folgenden Gebieten:

• Test- und Prüfverfahren
  Entwicklung spezieller Hardware-in-the-Loop-(HiL) Systeme und Durchführung von Prüfverfahren zur Qualitätssicherung technischer Komponenten sowie konventioneller und alternativer Brenn-, Kraft-, Treib- und Schmierstoffe
• Kraftstoff-Check für Netzersatzanlagen
  Überwachung der Qualität von Kraftstoffvorräten in Netzersatzanlagen (Notstromaggregaten) zur Erhaltung der Verfügbarkeit und Betriebssicherheit
• Technisches Consulting
  Beratung in grundlegenden Fragen des Innovationsmanagements über die Vor-, Konzept- und Serienentwicklung bis hin zum Aftersales