MethMare: Emissionen in der Schifffahrt mit neuartigen Gasmotoren verringern.

Der Verbund MethMare arbeitet an Antriebssystemen für Schiffe mit Kraftstoffen aus erneuerbaren Energiequellen. Es werden zwei Konzepte für Antriebssysteme verglichen, welche sich im Wesentlichen durch die Motortechnologien unterscheiden: Einem Otto-Motor und einem Motor mit Direkteinspritzung, der mit verschiedenen Kraftstoffen betrieben werden kann. Die fünf im Verbund beteiligten Partner aus Forschung und Industrie werden die beiden Konzepte erproben und dabei analysieren, welches das vielversprechendste im Kontext des gesamten Antriebssystems ist. Ziel ist es, dass die Motoren genauso leistungsstark sind wie herkömmliche Schiffsmotoren, dabei aber gegenüber heute gängigen Kraftstoffen (wie Schiffsdiesel) weniger klimaschädliche Emissionen (z.B. CO2, Methan) ausstoßen. Der CO2-Ausstoß von Gasmotoren ist gegenüber anderen Verbrennungsmotoren deutlich geringer. Allerdings wird das Gas (Methan) im Motor in bestimmten Lastbereichen (Teillastbetrieb und Beschleunigungsphasen) nicht vollständig verbrannt und ein Teil des Methans gelangt unverbrannt ins Abgas (Methanschlupf genannt). Da Methan sowie CO2 klimaschädigend ist, liegt eine Herausforderung bei der Entwicklung von Gasmotoren darin den Methanschlupf möglichst gering zu halten. In den zum Schiffsantrieb bereits heute vereinzelt eingesetzten Gasmotoren wird als Brennstoff bislang verflüssigtes Erdgas (LNG) genutzt. Dieses kann Schritt für Schritt durch EE-Methan ersetzt werden, wodurch die Energiewende in der Schifffahrt vorangebracht wird. Zudem sollen durch die betrachteten Konzepte deutlich sauberere Schiffsantriebe realisiert werden, um den Ausstoß unter anderem von Ruß und Schwefeloxiden zu verringern.

Der Verbund wird von der MTU Friedrichshafen, einer Tochtergesellschaft von Rolls-Royce Power Systems, koordiniert, die bereits Erfahrung hat mit Konzepten für schnelllaufende und dynamisch betreibbare Motoren in der Schifffahrt.

Bild 1: mobiler Gasmotor für Schiffsanwendungen (©MTU Friedrichshafen GmbH)

Otto-Gasmotoren

Otto-Gas-Motoren gibt es schon lange, denn Gas lässt sich leicht in Otto-Motoren verbrennen. Der Nachteil an diesem Konzept ist allerdings, dass das Gas nicht vollständig verbrennt und unverbranntes Methan entweicht. Da Methan klimaschädlicher ist als CO2, wird das Potenzial von Gasmotoren zur Senkung der Treibhausgasemissionen noch nicht vollständig ausgenutzt. Im Rahmen des Projekts MethQuest soll nun im Verbund MethMare ein Methan-Oxidationskatalysator entwickelt werden, der das Methan unschädlich macht. Die Herausforderung besteht insbesondere darin, dass hohe Temperaturen benötigt werden, um Methan im Abgasstrang zu oxidieren. Diese sind im Motor nur vor der Turbine des Turboladers verfügbar. Dort muss der Katalysator platziert werden, was der Motordynamik deutlich schadet. Bei MTU wird daher an einem System zur elektrisch unterstützten Turboaufladung gearbeitet, welches diese Nachteile ausgleicht. Das Brennverhalten im Motor wird vom Partner TUM - LVK grundlegend betrachtet und simuliert.

Bild 2: Metall-Wickelkatalysator (©MTU Friedrichshafen GmbH)

Gasmotor ohne Methanschlupf

Beim zweiten Schiffs-Gasmotorenkonzept, dem kraftstoffflexiblen Motorenkonzept mit Direkteinspritzung, kommt ein völlig neues Brennverfahren zum Einsatz. Hier wird wie beim Dieselmotor zunächst Luft im Brennraum komprimiert, dann der Hauptenergieträger Gas eingedüst und gleichzeitig eine kleine Menge Diesel eingespritzt, die das Gas entzündet. Der Vorteil dieses Verfahrens: Das Gas verbrennt nahezu vollständig und der ungewünschte Methanschlupf ist vernachlässigbar gering. Ein weiterer Vorteil dieses Konzepts ist, dass in diesem Brennverfahren auch weitere Kraftstoffe wie z.B. Methanol verwendet werden können. Dass dieses Brennverfahren funktioniert, hat die MTU bereits in dem vorangegangenen, ebenfalls öffentlich geförderten Projekt FlexDi nachgewiesen.

Basierend auf den Erkenntnissen zum Brennverfahren wird im Rahmen von MethMare das Brennverhalten im Motor vom Partner TUM - LVK grundlegend untersucht und simuliert. Darüber hinaus wird der gesamte Antriebsstrang betrachtet. Dazu ist die Entwicklung eines Hochdruckgassystems notwendig. Denn um das Gas einzudüsen, muss es auf sehr hohen Druck gebracht und erwärmt werden.

 

Bild 3: Injektor zur Direkteinspritzung in schnelllaufenden Motoren (©Woodward L’Orange)

Bild 4: doppelwandiger Sicherheitswärmetauscher (©2018 Kelvion Holding GmbH)

Dabei bringt Woodward L’Orange GmbH insbesondere die Einspritztechnologie ein und Kelvion entwickelt einen neuartigen doppelwandigen Sicherheitswärmetauscher. Die Systemkomponenten des Hochdruckkraftstoffsystems (Injektor, Wärmetauscher und Hochdruckpumpe) werden im Rahmen des Forschungsprojekts aufgebaut und sowohl in Komponentenversuchen als auch im Zusammenspiel am ILK Dresden erprobt.

Die Projektpartner

Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbHInstitut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH
Kelvion Machine Cooling Systems GmbHKelvion Machine Cooling Systems GmbH
MTU Friedrichshafen GmbHMTU Friedrichshafen GmbH
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Technische Universität MünchenLehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Technische Universität München
Woodward L’Orange GmbHWoodward L’Orange GmbH

Verbundkoordination:

MTU Friedrichshafen GmbH
Maybachplatz 1
88045 Friedrichshafen