HydroGen

Übergeordnetes Ziel des Vorhabens ist die Auslegung und Entwicklung eines wasserstofftauglichen hocheffizienten Motorenkonzepts für den Einsatz in Mini-Blockheizkraftwerken (BHKW) ausgehend von einem stationären Erdgas-Einzylindermotor neuester Technologie. Vor dem Hintergrund steigender Wasserstoffanteile im Erdgasnetz durch Power-to-Gas wird mit dem geplanten BHKW-Konzept die Rückverstromung von aus Überschuss-Strom erzeugtem Wasserstoff in beliebigen Konzentrationen angestrebt. In diesem Zusammenhang soll das vorgesehene Motorkonzept leistungsvariabel mit unterschiedlichen Kraftstoffen (Erdgas mit bis zu 100 % Wasserstoff-Anteil) sicher und möglichst effizient (wirkungsgradoptimierte Verbrennung) funktionieren. Unter Berücksichtigung der hohen Wasserstoff-Klopfempfindlichkeit und dem Ziel den Motor zwischen reinem Erdgasbetrieb, einem Erdgasbetrieb mit variabler Wasserstoffbeimengung und reinem Wasserstoffbetrieb ohne Leistungsreduktion zu betreiben, stellen die Anpassung des effektiven Verdichtungsverhältnisses sowie eine geeignete Ladungsverdünnung wesentliche Maßnahmen dar. Der grundsätzlich stöchiometrische Betrieb des Erdgasbetriebs soll auch bei zunehmenden H2-Brenngasanteilen durch die kontrollierte Ladungsverdünnung mit getrocknetem und CO2-armen Abgas (H2-Verbrennung) erhalten bleiben, wodurch das Oxymoron eines „stöchiometrisch-mageren-Betriebs“ realisiert wird: thermodynamisch wirkungsgradgünstige Stoffeigenschaften des Magerbetriebs bei gleichzeitig stöchiometrischer Verbrennung.

Das Projekt Hydrogen wird in einem Forschungsverbund aus mehreren Projektpartnern aus Forschung und Industrie bearbeitet. Der Entwicklungsprozess umfasst experimentelle und numerische Untersuchungen zur Auslegung des Hydrogen-Brennverfahrens sowie der BHKW-Anlage. Die experimentellen Untersuchungen finden an der Hochschule Amberg-Weiden statt, während das GenLab der Hochschule Karlsruhe die numerischen Untersuchungen durchführt. Zu den numerischen Untersuchungen gehören:

• 0D-Simulation (Cantera, AVL Fire): Zündverzug, Flammengeschwindigkeit
• 1D-Motorprozessimulation (AVL Boost): Steuerzeiten-, Brennverfahrensauslegung
• 3D-Verbrennungs- und Strömungssimulation (AVL Fire): Brennraumgeometrie

In allen Fällen kommen chemische Reaktionsmechanismen zur Beschreibung der Verbrennung zum Einsatz. Mit Hilfe der numerischen Ergebnisse sollen zum einen grundlegende Zusammenhänge bei der Verwendung von Erdgas-Wasserstoff-Mischungen in Klein-BHKW gewonnen sowie das Brennverfahren ausgelegt werden. Die Methode des „Digitalen Zwillings“ stellt dabei die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den realen Versuchsträger beim Projektpartner in Amberg sicher.

Für Studierenden besteht dauerhaft die Möglichkeit, als wissenschaftliche Hilfskraft (Hiwi) oder im Rahmen von Projekt- (PA, F&E) und Abschlussarbeiten (Bachelor, Master) sich in Simulationsprojekten mitzuarbeiten. Offene Themen finden sich unter studentische Forschung oder durch direkten Kontakt mit dem zuständigen Mitarbeiter.