Blog

Aug 24, 2023

Eine „bahnbrechende Studie“: Untersuchung der Ergebnisse der Wasserstoffmischung in einem Hubkolbenmotor

Sehen Sie sich unten unser Einzelinterview mit Dr. Andrew Maxson von EPRI zu einem aktuellen Thema an

Sehen Sie sich unten unser Einzelinterview mit Dr. Andrew Maxson von EPRI über einen kürzlich in Michigan durchgeführten Wasserstoffmischungstest an, bei dem in einem netzgekoppelten Kolbenmotor erfolgreich Wasserstoff mit 25 Volumenprozent gemischt wurde.

Die in Wisconsin ansässige WEC Energy Group (WEC) arbeitet daran, die Emissionen ihrer Energietochtergesellschaften im Mittleren Westen zu reduzieren. Das Unternehmen hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 CO2-neutral zu werden und die Emissionen bis 2030 um 80 % gegenüber dem Niveau von 2005 zu senken.

Zu diesem Zweck erforscht WEC den Einsatz kohlenstoffarmer Kraftstoffe. Eine ihrer Tochtergesellschaften, Upper Michigan Energy Resource Corporation (UMERC), veranstaltete eine Demonstration der Wasserstoff-Erdgas-Mischung im Kraftwerk AJ Mihm. Die im Herbst 2022 durchgeführte Demo umfasste die Beimischung von Wasserstoff in einem der drei netzgekoppelten 18,8-MW-Wärtsilä-Kolbenmotoren im Werk.

Die Partner, zu denen auch das Electric Power Research Institute (EPRI) gehörte, demonstrierten, dass dem getesteten Motor eine Kraftstoffbeimischung von 25 Volumenprozent Wasserstoff zugesetzt wurde. Weitere Mitglieder des Projektteams waren Blue Engineering, Burns & McDonnell, Certarus, Lectrodryer und Mostardi Platt. EPRI veröffentlichte die Ergebnisse der Blending-Demonstration im März und wir hatten Gelegenheit, sie mit Dr. Andrew Maxson, einem leitenden Programmmanager der gemeinnützigen Organisation, zu besprechen.

Link zur Zusammenfassung des Blending-Projekts

Maxson nannte es eine „bahnbrechende Studie“ und sagte, dies sei der erste Wasserstoffmischungstest an einem kommerziellen, an das Netz angeschlossenen und betriebenen Hubkolbenmotor.

Hubkolbenmotoren hätten im Vergleich zu Gasturbinen eine höhere Kraftstoff- und Betriebsflexibilität, sagte er. Sie können schnell starten und hochfahren, um das Netz in Gebieten mit hoher Verbreitung erneuerbarer Energien auszugleichen. Motoren können praktisch jeden Kraftstoff gut verbrennen und können daher an Orten aufgestellt werden, an denen die Kraftstoffqualität nicht besonders gut ist. Maxson sagte, dies sei ein Faktor bei der Auswahl der Anlage und des Standorts für den Mischtest gewesen.

„In dieser speziellen Region gibt es Erdgas mit niedrigerem Druck und unterschiedlicher Erdgasqualität, mit dem Motoren besser umgehen können als Turbinen“, sagte Maxson. „Das war also einer der Hauptgründe, warum sie sich für Motoren entschieden haben.“

Da Wasserstoff sehr leicht entflammbar ist und leicht austreten kann, wurde ein detaillierter Plan befolgt, um die Sicherheit vor Ort zu gewährleisten.

Sichere Betriebsbedingungen des Motors wurden im Voraus ermittelt und Korrekturmaßnahmen umgesetzt, wenn wichtige Leistungsindikatoren festgelegte Schwellenwerte überschreiten.

„Wir haben es sehr ernst genommen und ein erfahrenes Team dabei eingesetzt“, sagte Maxson.

Alle Auftragnehmer, die das Werk von AJ Mihm besuchten, mussten eine Online-Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsorientierung absolvieren, um zu bestätigen, dass alle Mitarbeiter vor Ort mit den bestehenden Sicherheitsrichtlinien und -verfahren des Werks vertraut waren.

Zur Kommunikation kamen sowohl schriftliche als auch mündliche Formen zum Einsatz. Im gesamten Werk wurden Schilder angebracht, die auf Gefahrenbereiche hinweisen oder auf die Notwendigkeit zusätzlicher persönlicher Schutzausrüstung hinweisen.

Um die Anlagen des Wasserstoffmischsystems herum wurde eine Zone mit eingeschränktem Zugang eingerichtet. Der Standort der Mischausrüstung, die aus dem Ausland mitgebracht wurde, wurde auf der Grundlage der Erreichbarkeit innerhalb der Anlage, der Straßen, der Nähe zu Brenngasanschlüssen und des bevorzugten Motors sowie der Erfüllung der Anforderungen der National Fire Protection Association 2 – Hydrogen Technologies bestimmt Code (NFPA 2).

Alle Geräte und Rohrleitungen, die mit dem reinen Wasserstoff in Berührung kamen, waren nach dem Code der American Society of Mechanical Engineers (ASME) zertifiziert. An allen Flanschverbindungen von Rohrleitungen, die entweder reinen Wasserstoff oder die Wasserstoff-Erdgas-Mischung enthielten, wurde Wasserstoff-Lecksuchband angebracht – ein gelbes Band, das sich bei Kontakt mit Wasserstoff schwarz verfärbt. Alle Flanschverbindungen wurden vor jedem Motorstart und nach jedem Abstellen oder Auslösen des Motors überprüft.

Bei laufender Lokomotive durfte niemand die Maschinenhalle betreten. Dort wurden Wasserstoffsensormonitore angebracht, um mögliche Wasserstofflecks zu erkennen.

Teammitglieder, die direkt mit den Geräten zur Wasserstoffversorgung, Druckreduzierung und Kraftstoffmischung arbeiten, mussten im Rahmen ihrer normalen Betriebsabläufe persönliche Wasserstoffgasmonitore tragen.

Letztendlich gab es bei den Tests keine Hinweise auf Wasserstofflecks, auch nicht am Motor selbst.

„Wir waren ziemlich vorsichtig und haben viel gelernt“, sagte Maxson. „Ich denke, wir haben daraus viele Lehren gezogen, die wir der Branche im Umgang mit Wasserstoff weitergeben werden.“

Der netzgekoppelte 18,8-MW-Wärtsilä-Kolbenmotor wurde bei verschiedenen Motorlasten und für den Betrieb mit verschiedenen Kraftstoffmischungen im Bereich von 10 bis 25 Volumenprozent Wasserstoff getestet.

Da unterschiedliche Wasserstoffwerte getestet wurden, betonte Maxson, dass es für die Teams wichtig sei, zu sehen, wie der Motor ohne mechanische Modifikationen funktionieren würde. Wie sich herausstellte, erforderte der Motor, der mit einer Wasserstoffmischung von 25 % (dem höchsten getesteten Prozentsatz) betrieben wurde, keine mechanischen Modifikationen. Maxson sagte, die einzigen vorgenommenen Änderungen betrafen manuelle Abstimmungen bei erhöhter Motorlast.

Bei den Läufen mit 50 % Motorlast wurde kein Motortuning durchgeführt, da der Motor zuverlässig mit Wasserstoffmischungen von bis zu 25 Volumenprozent arbeiten konnte.

Für die 75-%- und 100-%-Motorlastläufe wurden der Ladeluftdruck und der Zündzeitpunkt angepasst, um einen stabilen Betrieb des Motors aufrechtzuerhalten.

Bei jedem der 50-%-, 75-%- und 100-%-Motorlastläufe konnte der Motor bei allen Wasserstoffmischungen den Volllastsollwert erreichen, mit Ausnahme der 25-prozentigen Wasserstoffmischung.

Bei dieser Mischung konnte der Motor nur eine Kapazität von 95 % erreichen. Wie Maxson erklärte, haben Motoren ein geschlossenes Volumen und Wasserstoff hat eine viel geringere Energiedichte als Erdgas. Daher ist es eine Herausforderung, genügend Wasserstoff in den [Motor-]Zylinder zu bekommen, um die gesamte Leistung zu erzeugen, die der Motor liefern kann.

„Wir dachten, dass wir bei einem Mischungsverhältnis von 25 % nicht in der Lage wären, die volle Kapazität des Motors bereitzustellen“, sagte Maxson. „Und wir hatten mit einer Reduzierung um bis zu 15 % gerechnet. Und wir sahen nur 5 %, worüber alle begeistert waren, dass der Motor immer noch so viel Leistung erbringen konnte.“

Die Teams haben Emissionen, Wärmerate und Effizienz bei verschiedenen Motorlasten und Wasserstoffmischungen im Vergleich zu einem 100-prozentigen Erdgas-Basiswert gemessen.

Wie erwartet sank der Kohlendioxidgehalt mit zunehmender Zugabe von Wasserstoff. Der CO2-Ausstoß wurde bei der Mitverfeuerung von 25 Vol.-% Wasserstoff um etwa 10 % reduziert.

„Das waren alles Dinge, die wir erwartet hatten, aber wir waren froh, sie zu sehen“, sagte Maxson. „Es ist immer gut, wenn Messungen Ihre Erwartungen bestätigen.“

Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) wurden außerdem sowohl am Motorauslass als auch am Auslass des selektiven katalytischen Reduktionssystems (SCR) zum Schornstein gemessen. Ein Umweltproblem bei der Verwendung von Wasserstoff besteht darin, dass Wasserstoff mehr thermisches NOx erzeugen kann, da er heißer verbrennt als andere Brennstoffe wie Erdgas.

Beim Mischen von Wasserstoff ohne NOx-Kontrolle stellten die Teams laut Maxson in einigen Fällen einen NOx-Anstieg aus dem Motor fest. Aber nach den NOx-SCR-Kontrollen gab es laut Maxson im Vergleich zum Ausgangswert kaum Veränderungen bei diesen aus dem Schornstein austretenden Emissionen.

„Es war nicht dramatisch“, sagte Maxson und sprach von den unkontrollierten NOx-Emissionen. „Und wir haben die Funktionsweise des Motors ein wenig verändert, indem wir das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht haben, sodass er etwas magerer brennt. Dadurch wird ein Teil dieser höheren Temperatur reduziert.“

Unkontrollierte Emissionen

• Bei 50 % Motorlast: Die CO-Emissionen gingen um 21–35 % zurück, was auf eine schnellere, vollständigere Verbrennung mit höheren Wasserstoffmischungsverhältnissen zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu stieg NOx bei höherem Wasserstoffgehalt aufgrund erhöhter Zylindertemperaturen um 21–74 % an. Bei diesen Testläufen wurde kein Motortuning vorgenommen.

• Bei 75 % Motorlast: Der Motor wurde nach der Durchführung der Basislinie neu abgestimmt, um die NOx-Emissionen zu senken, was dazu führte, dass die NOx-Emissionen bei Wasserstoffmischungen mit 10 % und 15 Vol.-% tatsächlich niedriger waren und dann bei 25 % um 20 % über der Basislinie anstiegen Volumen Wasserstoff. Die Teams stellten fest, dass eine weitere Motorabstimmung hätte vorgenommen werden können, um noch niedrigere NOx-Emissionen aufrechtzuerhalten. Die CO-Emissionen gingen im Laufe der Tests um 10–25 % zurück, wobei die Reduzierung mit zunehmendem Wasserstoffgehalt zunahm.

• Bei 95 % Motorlast: Die CO- und NOx-Emissionen lagen erheblich unter dem Ausgangswert, da der Motor manuell auf NOx-Reduzierung eingestellt wurde und das CO teilweise aufgrund des geringeren Kohlenstoffgehalts im Kraftstoff reduziert wurde.

• Bei 100 % Motorlast: Die CO-Emissionen stiegen während des Volllasttests mit 12 Vol.-% Wasserstoff um 20 %, da das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Zündzeitpunkt geändert wurden, um den NOx-Ausstoß niedrig zu halten. Die NOx-Emissionen lagen um 58 % deutlich unter dem Ausgangswert.

Kontrollierte Emissionen

Die Abgasemissionen von CO und NOx nach Emissionskontrollen blieben in allen Fällen und Testläufen deutlich unter den behördlichen Genehmigungsgrenzen der Anlage.

• Bei 50 % Motorlast: Die CO-Emissionen sanken um bis zu 15 % und die NOx-Emissionen sanken um 13–17 %.

• Bei 75 % Motorlast: Die CO-Emissionen gingen um 12–18 % zurück und die NOx-Emissionen stiegen um 10–20 %.

• Bei 95 % Motorlast: Die CO-Emissionen stiegen um 18 %, während die NOx-Emissionen um 2,5 % sanken.

• Bei 100 % Motorlast: Die CO-Emissionen stiegen während des Volllasttests mit 12 Volumenprozent Wasserstoff um 54 %, während NOx mit dem Ausgangswert vergleichbar war.

Effizienzen

Bei der 25-prozentigen Wasserstoffmischung waren Wärmerate und Effizienz im Vergleich zur Erdgas-Basislinie nahezu identisch. Was die thermische Leistung betrifft, sagte Maxson, dass der Motor grundsätzlich gleich funktionierte.

„In manchen Fällen waren sie etwas höher – in manchen Fällen etwas niedriger – aber nichts Nennenswertes“, sagte Maxson. „Das war also eine großartige Nachricht, dass Wasserstoff wirklich keinen Einfluss auf die Effizienz eines Motors hat.“

Maxson sagte, der Test habe dazu beigetragen, Daten für den Motorenhersteller Wärtsilä bereitzustellen, der diese Ergebnisse nutzen könne, um die Entwicklung seiner wasserstofffähigen Flotte zu beschleunigen. Die manuelle Abstimmung zur Anpassung an steigende Wasserstoffmengen während der Tests würde idealerweise in das zukünftige Motordesign des Unternehmens implementiert werden.

Wärtsilä strebt an, bis 2025 zu 100 % wasserstoffbetriebene Motoren kommerziell verfügbar zu haben.

Damit die Motoren 100 % Wasserstoff verarbeiten können, seien mehrere mechanische Änderungen erforderlich, sagte Maxson.

Eine davon besteht darin, das Verdichtungsverhältnis zu ändern, um die Temperaturen zu senken und so NOx-Anstiege und Motorklopfen zu vermeiden. Maxson sagte, eine weitere Optimierung könnte darin bestehen, eine Vorkammerverbrennung einzuführen, um die Zündung besser steuern zu können.

Auch die Rohrleitungen müssen für 100 % Wasserstoff zertifiziert sein, um Lecks zu verhindern.

„Langfristig kann Wasserstoff aufgrund der Versprödung auch bestimmte Metalle zerstören“, sagte Maxson. „Man muss also die richtigen Materialien verwenden, um mit 100 % Wasserstoff zurechtzukommen, der in den Motor ein- und ausströmt.“

HINWEIS: Wir nehmen derzeit Rednereinreichungen für Präsentationen bei POWERGEN International vom 23. bis 25. Januar 2024 in New Orleans entgegen. Zu den Themen gehört die Mitverbrennung von Wasserstoff im Rahmen unseres Tracks „Unlocking Hydrogen's Power Potential“. Reichen Sie hier eine Zusammenfassung ein, um Teil unserer Rednerliste zu werden.