HydroFit
Ertüchtigung von Gasmotoren in KWK-Neu- und Bestandsanlagen für den angestrebten schrittweisen „Fuel-Switch“ von fossilem Erdgas zu klimaneutralen Gasen.
Mit der angestrebten schrittweisen Kraftstofftransformation („Fuel-Switch“) von fossilem Erdgas zu klimaneutralen Gasen wie z.B. grünem Wasserstoff werden in Zukunft unterschiedliche Gasgemische im Gasnetz vorliegen. Im Rahmen des Projekts „HydroFit“ sollen Gasmotoren in KWK-Anlagen für diesen „Fuel-Switch“ ertüchtigt werden. Dabei werden neben zukünftigen Motoren, auch insbesondere Bestandsanlagen adressiert, die durch HydroFit leistungstechnisch optimiert werden. Um die Motoren in Zukunft nachhaltig, effizient und emissionsarm betreiben zu können, bedarf es geeigneter Anpassungen in Hard- und Software. Hierfür wird ein adaptives System entwickelt, das es ermöglicht, Gasmotoren unabhängig von der aktuellen Kraftstoffzusammensetzung im Versorgungsnetz zu betreiben. Das System kann dabei auf zeitlich sich ändernde Gaszusammensetzung reagieren, ohne dass Umbauten am Motor durchgeführt werden müssen. Dies ist insbesondere für die Übergangsphase der schrittweisen Einführung von der Wasserstoffbeimengung bis zur reinen Wasserstoffbereitstellung von Bedeutung. Zusätzlich wird HydroFit konstruktiv so gestaltet, dass bereits im Betrieb befindende Anlagen wirtschaftlich ohne Änderungen am Grundmotor nachgerüstet werden können. Um die Funktionalität des Konzepts sicherzustellen, soll nach der Entwicklung eines Prototypsystems, dieses zunächst im Labor getestet werden. In einer weiteren Ausbaustufe erfolgt die Erprobung an einem Versuchsmotor im Feld. Mit dem vollständigen Umstieg auf Wasserstoff und andere klimaneutrale Kraftstoffe können Gasmotoren-BHKW nicht nur als Brückentechnologie in der Energiewende dienen, sondern auch langfristig für die Dekarbonisierung der Wärme- und Stromerzeugung sorgen. Mit dem in diesem Vorhaben geplanten adaptiven System bleiben sie dabei sehr flexibel und können im Gegensatz zu alternativen Technologien (wie z.B. der Brennstoffzelle) unabhängig von der Kraftstoffzusammensetzung, insbesondere der Reinheit des Wasserstoffs, betrieben werden.
Projektvorhaben
Um Gasmotoren in BHKW-Anlagen für die angestrebte schrittweise Kraftstofftransformation von fossilem Erdgas zu klimaneutralen Gasen, insbesondere dem grünen Wasserstoff zu ertüchtigen, soll das HydroFit-System bestehend aus einer Kombination aus Einblas- und Zündeinheit in einer Vorkammer mit einer im zentralen Motorsteuergerät integrierten Steuerung als Prototyp geplant, ausgelegt, gefertigt und aufgebaut werden. Dazu soll eine Designauswahl auf Basis von CFD- sowie FEM-Simulationen erfolgen, aus denen konkrete Anforderungen an die Gemischbildung, das Zündsystem (Zündkerzen und -spulen) sowie die räumliche Gestaltung von Vorkammer und Überströmkanälen für die Konstruktion abgeleitet werden können.
In mehreren Iterationen (Ausbaustufen) soll das HydroFit-Prototypen-System im Labor, auf dem Ein-Zylinder- und Vier-Zylinder-Prüfstand erprobt und optimiert werden. Hierbei kommen optische, Körperschall- und Verschleißuntersuchungen ebenso wie Ionenstrom-, Zündkerzentemperatur-, Wärmewert- und Zündspannungs-, Indizier und Abgasemissions-messungen zum Einsatz. Auf den Prüfständen soll die Verbrennung über die zentrale Motorsteuerung für unterschiedliche Kraftstoffzusammensetzungen aus Erdgas und der Beimengung an Wasserstoff von 0 bis 100% appliziert und optimiert werden. Mithilfe der Indizierung, der Diagnose der Zündspannungen und Ionenströme können auf diese Weise ungewollte Vorentflammungen detektiert und vermieden sowie mittels der optischen Messtechnik validiert werden.
Das derart in mehreren Rekursionsschleifen optimierte HydroFit-System soll schließlich in einer Demonstratoranlage verbaut, sicherheitstechnisch abgenommen und in Betrieb genommen werden. Anhand der über die Projektlaufzeit und am Demonstrator gewonnenen Ergebnisse erfolgt schließlich ein Potential- und Funktionsnachweis des HydroFit-Systems.