Johannes Haller, Technische Universität Ilmenau

Untersuchungen zur effizienten und emissionsfreien Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in Verbrennungsmotoren

Die Energiewende führt aufgrund der steigenden Anteile volatiler Einspeisung zu einem steigenden Bedarf an Stromspeichern und Regelenergiekraftwerken. Bei der Langzeitspeicherung von Strom ist in Deutschland die Nutzung von Wasserstoff eine der vielversprechendsten Optionen. Die Rückverstromung von Wasserstoff kann prinzipiell mit Brennstoffzellen, Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren geschehen, wobei ein aktueller Kostenvergleich zeigt, dass Verbrennungsmotoren im mittleren Leistungsbereich derzeit eine kostengünstige und technologisch etablierte Möglichkeit der Rückverstromung darstellen.

Ein am Institut für Regenerative Energietechnik der Hochschule Nordhausen entwickelter Verbrennungs- und Dampfprozess für einen stationären Verbrennungsmotor ermöglicht die Rückverstromung ohne die sonst bei Wasserstoffmotoren üblicherweise auftretenden Stickoxide. Der entworfene Prozess basiert auf der Verbrennung von Wasserstoff mit reinem Sauerstoff, welcher bei der Elektrolyse anfällt, und ermöglicht Wirkungsgrade und Leistungsdichten oberhalb derer üblicher Wasserstoffmotoren mit Direkteinspritzung.

Eine thermodynamische Modellierung des Prozesses als Vergleichsprozess liefert bei vereinfachter Berücksichtigung von Reibungsverlusten einen maximalen inneren Wirkungsgrad zwischen 54 Prozent und 60 Prozent im Vergleich zu maximal 45 Prozent in ausgeführten Wasserstoffmotoren. Neben thermodynamischen Modellen kommen bei der Untersuchung auch numerische Methoden in Form von 3-D-CFD-Simulationen zum Einsatz, um die Einflüsse von Geometrie, Steuerzeiten, Gemischbildungsstrategie und Zündzeitpunkt zu Untersuchen und zu optimieren.