MethPower: Mit innovativen Blockheizkraftwerken flexibel Strom und Wärme gewinnen.

Ein wesentliches Element der Energiewende ist die Kopplung verschiedener Sektoren des Energiesystems beziehungsweise der Versorgungssysteme, wie Strom- und Gasnetz. An der Schnittstelle dieser Systeme spielen Blockheizkraftwerke (BHKW) eine große Rolle. Sie können dynamisch die in Gas gebundene Energie in Strom und Wärme umwandeln. Hier setzt MethPower mit der Untersuchung von zwei neuen BHKW-Motorkonzepten an. Beide Konzepte sind darauf ausgelegt, mit erneuerbaren Gasen betrieben zu werden: im einen Fall mit EE-Methan (Methanmotor), im anderen Fall mit EE-Wasserstoff (Wasserstoffgroßmotor).

Ziel in MethPower ist die ganzheitliche Bewertung der beiden untersuchten Motorenkonzepte in einem lokalen Energiesystem. Dieses wird mit einem möglichst hohen Anteil an regenerativ erzeugter Energie, Energiespeichern (elektrochemisch und basierend auf erneuerbaren Kraftstoffen), Blockheizkraftwerken und Verbrauchern modelliert. Das System wird dann hinsichtlich Eigenschaften wie Gesamtenergieeffizienz und Wirtschaftlichkeit optimiert, hierbei sind u.a. geeignete Einsatzbedingungen für die Motorenkonzepte zu ermitteln. Neben dem Strompfad soll auch dabei die entstehende Nutzwärme, zum Beispiel für die Heiz- oder Brauchwassererwärmung, berücksichtigt werden.

Bild 1: Einzylinder-Versuchssystem für die Brennverfahrensentwicklung (©MTU Friedrichshafen GmbH)

Um das Verhalten der Motoren in den Simulationen realistisch abbilden zu können und um die Umsetzbarkeit der beiden Konzepte zu demonstrieren, werden diese in MethPower zunächst jeweils als Einzylindermotor realisiert. Mit Hilfe der Ergebnisse aus den Einzylindermotorenversuchen erfolgt mittels moderner Berechnungsverfahren eine detaillierte Bewertung und Optimierung der BHKW-Motoren. Außerdem entwickelt MethPower eine Bewertungsmethode für das Gesamtsystem, bestehend aus Motor und angrenzenden verfahrenstechnischen Prozessen, wie z.B. die Kraftstofferzeugung mittels Strom. So können sowohl technische als auch wirtschaftliche Aspekte der Motoren eingeordnet und im Energiesystem beurteilt werden.

Methanmotor

Im ersten Fall wird ein neues Konzept für einen BHKW-Motor entwickelt. Dieser Motor wird anstelle des üblichen Erdgases (oder auch Diesel bzw. Heizöl) mit EE-Methan befeuert. Das vom Motor ausgestoßene CO2 soll dann für die Synthese (Methanisierung) von neuem, erneuerbaren Methan verwendet werden, das wiederum dem Motor als Brennstoff zugeführt werden kann. Dieses Konzept hat zwei entscheidende Vorteile: Zum einen wird so kein CO2 in die Atmosphäre entlassen, zum anderen sind solch einfach zugängliche Kohlenstoffquellen in einem Kreisprozess wichtig für die künftige Erzeugung von erneuerbarem Methan.

Wasserstoffgroßmotor

Als zweites Motorkonzept wird in MethPower ein Otto-Großgasmotor mit EE-Wasserstoff und äußerer Gemischbildung untersucht. Dieser soll die Leistungsdichte eines Erdgasmotors bei geringsten Emissionen erreichen. Um die Effizienz weiter zu steigern und das Brennverfahren besser zu beurteilen, wird die Verbrennung mit einem optisch voll zugänglichen Motor analysiert und mit einer 3D CFD-Simulation berechnet. Das Potential einer Direkteindüsung von EE-Wasserstoff wird ebenso simulativ bewertet und ein neuartiges Injektorsystem zur Direkteinspritzung entwickelt.

Die beiden im Verbund MethPower untersuchten Motorkonzepte, welche sich im Wesentlichen durch den eingesetzten Brennstoff (EE-Wasserstoff oder EE-Methan) unterscheiden, werden anschließend gegenübergestellt und technisch bewertet. Der Einsatz von EE-Wasserstoff weist gegenüber EE-Methan grundsätzlich den Vorteil auf, dass die Gewinnung von EE-Wasserstoff weniger Prozessschritte erfordert als die Synthese von EE-Methan. Allerdings gibt es derzeit kein Versorgungsnetz für Wasserstoff, während EE-Methan bereits heute in das vorhandene Erdgasnetz eingespeist werden kann und dadurch eine sukzessive Ersetzung von Erdgas möglich ist. An welchen Stellen des Energiesystems man künftig das eine erneuerbare Gas dem anderen vorziehen wird, lässt sich heute nicht klar beantworten, da hier nicht nur energietechnische, sondern auch schwer wägbare volkswirtschaftliche Faktoren mit hineinspielen.

Bild 2: Konventioneller BHKW-Gasmotor (©MTU Friedrichshafen GmbH)

Die Projektpartner

MTU Friedrichshafen GmbHMTU Friedrichshafen GmbH
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Technische Universität MünchenLehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Technische Universität München
Woodward L’Orange GmbHWoodward L’Orange GmbH

Verbundkoordination:

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Maybachplatz 1
88045 Friedrichshafen