Wasserstoff und Brennstoffzellen

Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen

GE Jenbacher beschäftigt sich bereits seit mehr als 20 Jahren mit den Sondergasen (NNG) und hier insbesondere mit den wasserstoffhaltigen Gasen. Durch dieses Engagement konnten in Jenbach auch ein sehr umfangreiches Wissen und ein entsprechender Erfahrungsschatz angesammelt werden.

Wasserstoffmotoren für stationäre Applikationen

Von Günther Herdin und Michael Wagner*

War früher die Anwendung durch das energetische Nutzen eines Abfallgases eines bei einem Veredelungsverfahren (z. B. Koksherstellung) anfallenden und in einem Gasmotor zu verbrennenden Gases gekennzeichnet, so ist nun im speziellen das Potenzial der stickoxidarmen Verbrennung solcher Gasgemische in den Fokus gekommen. Die Eigenschaft von wasserstoffreichen Gasgemischen bei der Verbrennung bei einem hohen Verbrennungsluftüberschusses ist dabei das wesentliche Merkmal. Einen Vergleich der Eigenschaften verschiedener Kraftstoffe bei der motorischen Verbrennung zeigt Abbildung 1.

Entstehung von Stickoxiden

Klar zu sehen ist die extreme Abmagerbarkeit des Kraftstoff/Luftgemisches bis zur Zündaussetzergrenze im Fall der Verwendung von Wasserstoff. Ab einem Luftüberschuss von 2,3 (2,3 mal mehr Luft zur Verfügung als für die stöchiometrische Verbrennung benötigt wird) entsteht durch die bescheidenen Verbrennungstemperaturen kein thermisches NO_x (Stickoxid). Im Abbildung 1 sind auch die Charakteristika von Benzin und Erdgas eingezeichnet. Die Magergrenzen (Zündaussetzergrenze) liegt deutlich bei kleineren Werten und damit entsprechend höheren NO_x-Emissionen. Je nach Verbrennungskonzept, nach dem Zündsystem bzw. noch weiteren Randbedinungen lässt sich das Bertiebsfenster eines ordnungsgemäßen Motorbetriebes etwas erweitern, kein Kraftstoff kommt jedoch nur annähernd an die Eigenschaft des Wasserstoffes heran. Der physikalische Grund für diesen Effekt liegt in der hohen laminaren Flammengeschwindigkeit des Wasserstoffes (H₂) der ca. fünfmal größer ist als der Wert des Methans. Damit lassen sich die Kraftstoff/Luftgemische auch bei großem Luftüberschuss noch sehr gut entzünden und auch relativ rasch im Brennraum des Motors mit sehr guten Wirkungsgraden verbrennen.

Abbildung 1: NO_x (Stickoxide) in Abhängigkeit des Lambdas

Motorwirkungsgrad

Für gute Wirkungsgrade der Motoren ist der Verbrennungsablauf von entscheidender Bedeutung. Grundsätzlich gilt, dass ein hohes Verdichtungsverhältnis bzw. ein schneller und ein zeitig richtig gestarteter Verbrennungsvorgang gute Wirkungsgrade ermöglicht. Auch unter diesen Gesichtspunkten hat die Verbrennung von Wasserstoff bzw. Wasserstoffgemischen eindeutig Vorteile.

Den Vergleich betreffend des Einflusses von sehr magerer Verbrennung bei Erdgas bzw. reinem Wasserstoff auf den Wirkungsgrad zeigt Abbildung 2. Im untersuchten Fall handelt es sich um den Vergleich der erreichten Wirkungsgrade über der vom Motor abgegebenen Leistung. Bei einer Einstellung des Motors im Fall von Erdgas gemäß der gültigen Emissionsrichtlinien der TA Luft (ca. 175 ppm = 500 mg NO_x/kWh) wird ein Wirkungsgrad bei Vollast von 38,5 erreicht, ein Betrieb bei dem halben Wert verläuft die Verbrennung langsamer und der Wirkungsgrad des Motors sinkt auf 36,5%. Der gleiche Motor erreicht jedoch bei einem wesentlich größerem Lambda und NO_x-Emissionen < 5 ppm bei gleichem Lastfall um rund zwei Prozent bessere Werte. Der untersuchte Motor ist für GE Jenbacher mit einer "Erdgasleistung" von 150 kW relativ klein und wurde auch nicht besonders optimiert, die größeren Motore ab 300 kW erreichen auch im Erdgasbetrieb Wirkungsgrade von deutlich mehr als 40%. Der Wasserstoff hilft eine sehr effektive Verbrennung darzustellen, und diese Eigenschaft gibt auch die Chance einen Gasmotor bei extrem kleinen NO_x-Emissionen und hohen Wirkungsgraden zu betreiben. Um die gleiche Leistungsdichte zu erreichen, ist aber ein besonderes Augenmerk auf den Turbolader zu richten. Als zusätzlicher Vorteil der Verbrennung (Mitverbrennung) von H₂ ist ein ausgezeichnetes Teillastverhalten für den Inselbetrieb (Notstrom) zu erwähnen.

Abbildung 2: Wirkungsgradverhalten bei der Verbrennung von H₂ (Wasserstoff)

Potenziale erneuerbarer Energieträger

Wie oben gezeigt, hilft bei der motorischen Verbrennung der Wasserstoff in mindestens zwei sehr wichtigen Belangen und steht daher im Fokus der Motorenentwickler. Bei den Potenzialen der erneuerbaren Energieträger über die Biomassevergasung ist speziell das Wirkungsgradpotenzial des Gasmotors von Interesse, da keine andere Technologie (Dampfprozess, ORC, Stirling u.a.) mit der hohen Stromausbeute bei gleichzeitig hoher Wärmenutzung auf hohem Temperaturniveau mithalten kann. An Pilotanlagen wie z. B. des Biomassekraftwerks Güssing (2 MWel.) werden Wirkungsgrade bei der Verstromung von bis zu 28% und eine Gesamtkraftstoffnutzung (fuel efficiency - el. power and heat) von ca. 80% gemessen. Im Vergleich dazu werden bei gleich großen Biomasseanlagen, die einen konventionellen Dampfprozess nutzen, im BHKW Betrieb knapp 15% el. erreicht.
Die "Stromausbeute" ist also je nach Vergasertype und der Verstromung durch einen Gasmotor bis um den Faktor zwei größer als bei dem Stand der Technik bei einem Dampfprozess mit Gegendruckturbine. Abbildung 3 zeigt dazu den Vergleich der wissenschaftlich fundierten Fichtner Studie. Nur im Kondensationsbetrieb kommt der Dampfprozess an die Wirkungsgrade des Mitbewerbskonzeptes heran. Aus der Sichtweise der nachhaltigen Ressourcennutzung sollte an sich die Biomasse nicht in einem Kondensationskraftwerk "verfeuert" werden, um ca. 70% der im Holz gebundenen Energie über Verluste an die Umwelt abzugeben.

Abbildung 3: Wirkungsgradvergleich von Dampfprozess/Biomassevergasung und Gasmotor (Quelle: Fichtner Studie 4/2002)

Gasgemische

Die bei GE Jenbacher vorliegenden Erfahrungen mit H₂-haltigen Kraftstoffen reichen von praktisch reinem Wasserstoff bis zu Gasgemischen mit extrem niedrigem Heizwert. Das Abbildung 4 zeigt hier einen kleinen Auszug der in den Gasmotoren genutzten Gasgemische, weiters sind die NO_x-Emissionswerte der betreffenden Anlagen eingetragen. Die kleinsten NO_x-Emissionswerte werden bei der Nutzung des extrem heizwertarmen Abfallgases (Hu = 0,5 kWh/Nm³) der Krems Chemie mit ca. 2 ppm bzw. der Nutzung des reinen H₂ in einem Gasmotor erreicht. Im Vergleich zu den Brennstoffzellen sind das durchaus gleichwertige Größen. Die anderen Beispiele haben ebenfalls sehr gute NO_x-Werte, die Werte sind aber auch durch die erforderlichen Leistungen der Anlagen und der spezifischen Investitionskosten fixiert. Weitere Verbesserungen sind möglich, aber die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen wäre im Vergleich zu den konventionellen Stromerzeugungsanlagen nicht gegeben.

Abbildung 4: Gasgemische mit H₂/NO_x-Reduktion

Kraftstoff für "Null-Emission"

Die Kraftstoffzusammensetzung mit der Bezeichnung HyGen (Zumischung von 15% H₂ zu Erdgas) stellt aus der Sicht der Gasmotorenentwickler einen der nächsten Schritte der Potenzialausschöpfung in Richtung der so genannten Null-Emission dar. Das besondere dieses Lösungsansatzes ist, dass der zur NO_x-Reduktion erforderliche Wasserstoff vor Ort aus dem Erdgas reformiert werden kann. Es ergibt sich dann praktisch eine Mischung von bereits verfügbaren Techniken der Brennstoffzelle mit den hoch entwickelten Gasmotoren. Diese Technologie hat bei der Ausnutzung aller Möglichkeiten und völliger Integration in eine Stationärgasmotorenanlage ein zusätzliches Potenzial von bis zu 3% an höherem Wirkungsgrad durch das "Shiften" von thermischer Abgasenergie auf die Saugseite des Motors.

Resümee

Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltige Gasgemische sind für den Gasmotor ein hervorragender Kraftstoff und schaffen ein zusätzliches Potenzial bei der weiteren Reduktion der NO_x-Emissionen. Neben diesen Eigenschaften lässt sich die Verbrennung auch sehr gut hinsichtlich hoher Wirkungsgrade optimieren. Im Mitbewerb zu den Brennstoffzellen ist die Gasmotorentechnologie verfügbar und seitens der Investitionskosten wesentlich günstiger. Je nach Hersteller bzw. des zu vergleichenden Brennstoffzellentyps kann von einem Kostenvorteil bis zu dem Faktor fünf bei gleicher Leistung zu Gunsten des Motors ausgegangen werden. Außerdem sind Niedertemperaturbrennstoffzellentypen für stationäre BHKW Anlagen nur bedingt geeignet, da das Temperaturniveau von Vorlauf/Rücklauf zu klein ist. Weiters liegt der Gasmotor betreffend der Lebensdauer (zu PEM) klar im Vorteil, sodass aus Sicht von GE Jenbacher auch das nächste Jahrzehnt noch auf die Gasmotoren als sehr ökologisch/ökonomische Lösung im dezentralen Energiebereich gesetzt werden wird. Dies wird speziell bei der Nutzung der erneuerbaren Energieträger sein, da die Anforderungen an die Gasqualität (Reinheit) bei den Brennstoffzellen wesentlich höher sind.

*) Dr. Günther Herdin ist Entwicklungsleiter bei GE Jenbacher, Dipl.-Ing. Michael Wagner ist Mitarbeiter im Marketing der GE Jenbacher, info@jenbacher.com, www.jenbacher.com [^]