Ganzheitliche Bewertung von Wasserstoffverbrennungsmotoren

Abstract

Der anthropogene Klimawandels ist gegenwärtig das zentrale Problem in heutigen gesellschaftlichen und politischen Strukturen. Zur Begrenzung der globalen Erwärmung muss der Ausstoß von Treibhausgasen signifikant reduziert werden. Entsprechend wurde in Deutschland das Ziel der Klimaneutralität bis 2045 festgesetzt. Wesentlichen Anteil an den emittierten Treibhausgasen hat der Verkehr und die Energiewirtschaft. Wasserstoff ist aufgrund seiner Kohlenstofffreiheit prädestiniert den Treibhausgasausstoß in diesen Sektoren erheblich zu reduzieren. Der Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren bietet dafür eine effiziente und wirtschaftliche Möglichkeit. Voraussetzung dabei ist die Nutzung von Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energien erzeugt wurde. Diese Arbeit soll einen Beitrag für die Technologieoffenheit in der Diskussion zur Reduzierung der Treibausgasemissionen leisten und die Vorteile des Wasserstoffverbrennungsmotors anhand einer ganzheitlichen Betrachtungsweise zu erörtern. Anhand von zwei Anwendungsbeispielen aus den Sektoren Verkehr und Energiewirtschaft wurde eine ganzheitliche Bewertung von verschiedenen Energiewandlungssystemen durchgeführt. Diese beinhaltet die wesentlichen Aspekte Effizienz, Klimawirksamkeit und Wirtschaftlichkeit, die zur großtechnischen Realisierung dieser Energiewandlungssystemen von besonderer Bedeutung sind. Der Wasserstoffverbrennungsmotor ist dabei primärer Untersu-chungsgegenstand und wurde in beiden Anwendungen eingesetzt. Zu diesem Zweck wurden zwei 0D/1D-Simulationsmodelle mit prädiktiven Verbrennungsansätzen modelliert und anhand von Messergebnissen validiert. Im ersten Anwendungsbeispiel wurde der Wasserstoffverbrennungsmotor in einer Nutzfahrzeuganwendung, einen konventionellen Dieselmotor und einen batterieelektrischen Antrieb gegenübergestellt. Dafür wurde simulativ eine Verlustanalyse des Wasserstoffverbrennungsmotors durchgeführt, um den Effizienzvorteil des H2-Motors gegenüber dem Dieselmotor zu aufzuzeigen. Für den zweiten Aspekt, der Klimawirksamkeit, wurden die für das Nutzfahrzeug betrachteten Antriebstechnologien hinsichtlich ihren Treibhausgasausstoß über die gesamte Lebensdauer bilanziert. Bei Betrachtung einer konventionellen Energieerzeugung weist der dieselmotorische Nutzfahrzeugantrieb die geringsten Emissionen auf. Unter der Annahme, dass rein regenerativ erzeugte Energie für die Herstellung und den Betrieb des Nutzfahrzeugs genutzt wird, ist der Wasserstoffverbrennungsmotor die klimagünstigste Technologie. Für den Punkt der Wirtschaftlichkeit wurden die Gesamtkosten der drei Antriebstechnologien über die Lebensdauer ermittelt. Dies erfolgte einerseits unter aktuellen gesetzlichen Rahmenbedingungen und andererseits unter zukünftigen Gegebenheiten. Hierbei wies der batterieelektrische Antrieb, aktuell (Stand 2022) die niedrigsten Kosten auf. Zukünftig ist hier aber auch der H2-Verbrennungsmotor die wirtschaftlichere Technologie für ein Nutzfahrzeug. Der Fokus im zweiten Anwendungsbeispiel lag auf einen Wasserstoffkreislaufmotor mit Selbstzündung. Dieser völlig emissionsfreie Verbrennungsmotor fungiert als Rückverstromungsaggregat bei der Zwischenspeicherung von elektrischer Energie in Wasserstoff. Es handelte sich hierbei um eine stationäre Anwendung in der Energiewirtschaft. Zur Ermittlung der maximalen Effizienz wurde mithilfe des zweiten Simulationsmodells eine Variation des sogenannten Trägergases durchgeführt. Das bei den Prüfstandmessungen eingesetzte Trägergas Argon wurde simulativ mit Helium und Neon verglichen. Ergebnis dieser Analyse war die Überlegenheit von Argon gegenüber Helium und Neon in den Punkten Effizienz, sowie thermische und mechanische Motorbelastung. Entsprechend wurde Argon als das am besten geeignete Trägergas im Kreislaufmotor bewertet. Um den Aspekt der Klimawirksamkeit Rechnung zu tragen, wurde die CO2-Anreichung im Kreislaufmotor untersucht, die aus der Schmierölverbrennung im Zylinder resultiert. Daraus wurde eine Spülfrequenz für das Trägergas festgesetzt, um relevante Wirkungsgradeinbußen zu vermeiden. Zudem wurde, in Hinblick auf die anschließende Wirt-schaftlichkeitsbetrachtung, Möglichkeiten zur Erhöhung der Leistungsdichte untersucht. So konnte die Motorleistung durch eine Umstellung des Arbeitsverfahrens auf ein Zweitakt-Verfahren wesentlich gesteigert werden. Abschließend wurde die Wirtschaftlichkeit des Wasserstoffkreislaufmotors betrachtet. Hierbei wurde dieser mit einen luftansaugenden Wasserstoffmotor und einer PEM-Brennstoffzelle verglichen. In dieser Betrachtung wies der H2-Kreislaufmotor die geringsten Gesamtkosten auf. Zusätzlich wurde ein Umsetzungskonzept für den Wasserstoffkreislaufmotor skizziert, in dem die Maßnahmen und Rahmenbedingungen zur Realisierbarkeit dieses Motorkonzepts erörtert wurden.

The anthropogenic climate change is currently the central problem in today's social and political structures. To limit global warming, greenhouse gas emissions has to be significantly reduced. Accordingly, the goal of climate neutrality in 2045 has been set in Germany. The transport and the energy industry have a significant amount of the emitted greenhouse gases. Due to its carbon-free nature, hydrogen is predestined to reduce greenhouse gas emissions in these sectors, significantly. The use of hydrogen as a fuel in internal combustion engines offer an efficient and economical way to achieve this. The requirement for this is the use of hydrogen produced from renewable energies, only. This work intends to contribute on openness of technology in the discussion of reducing greenhouse gases and shows the advantages of the hydrogen combustion engine from a holistic point of view. Based on two application examples from the transport and energy sectors, a holistic evaluation of different energy conversion systems was executed. This evaluation includes the essential aspects of efficiency, climate effectiveness and economy, which are of particular importance for the realization of these energy conversion systems. The hydrogen combustion engine is the primary object of the investigation and was used in both applications. For this purpose, two 0D/1D-simulation models of a hydrogen engine with predictive combustion approaches were modeled and validated with measurement results. In the first application example, the hydrogen combustion engine was compared with a conventional diesel engine and a battery-electric drive in a commercial vehicle application. For this purpose, a loss analysis of the hydrogen combustion engine was done in the simulation to verify the efficiency advantage of the H2 engine compared to the diesel engine. For the second aspect, the climate impact, the propulsion technologies for the commercial vehicle were balanced with regard to their greenhouse gas emissions over the entire service life. When conventional energy generation is considered, the diesel-engine commercial vehicle drive system has still the lowest emissions. Assuming that purely renewably generated energy is used for the production and operation of the commercial vehicle, the hydrogen combustion engine is the most climate-friendly technology. To justify the economic efficiency, the total costs of the three drive technologies were determined over their service life. This was done under current legal conditions, on the one hand and under future conditions, on the other. The battery-electric drive currently (status as of 2022) had the lowest costs. In the future, the H2 combustion engine will also be the more economical technology for a commercial vehicle, here. The focus in the second application example was on a self-igniting hydrogen closed-cycle en-gine. This completely emission-free combustion engine acts as a regenerative power unit for the intermediate storage of electrical energy in hydrogen. This engine was considered for a stationary application in the energy industry. To determine the maximum efficiency, a variation of the so-called carrier gas was carried out using the second simulation model. The carrier gas, argon, used in the test bench measurements was compared with helium and neon, in the simulation. The result of this analysis was the superiority of argon over helium and neon in terms of efficiency as well as thermal and mechanical engine load. Accordingly, argon was evaluated as the most suitable carrier gas for the closed-cycle engine. In order to take account of the aspect of climate effectiveness, the CO2 accumulation in the closed-cycle engine resulting from the combustion of lubricating oil in the cylinder was investigated. From this, a purge frequency for the carrier gas was determined in order to avoid relevant efficiency losses. In addition, possibilities for increasing the power density were investigated for economic effi-ciency. The engine power could be increased by changing the working process to a two-stroke process. In conclusion, the economic efficiency of the hydrogen closed-cycle engine was an-alyzed. The engine was compared with an air-intake hydrogen engine and a PEM fuel cell. In this comparison, the H2 closed-cycle engine had shown the lowest overall costs. In addition, an implementation concept for the hydrogen cycle engine was outlined, in which the measures and framework conditions for the feasibility of this engine concept were discussed.