Einsatz von Brennstoffzellen - Abgasen in Verbrennungsmotoren

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1 Thema: Einsatz von Brennstoffzellen - Abgasen in Untersuchungsgegenstand: + Möglichkeiten der Verwendung von Brennstoffzellen - Abgasen in + Wirkung des Einsatzes von Brennstoffzellen - Abgasen auf * Verbrennungsprozess des Motors, energetische Nutzung * mechnische thermische Belastungen von Motorbauteilen * Abgasemissionsverhalten des Motors + Ableitung von Anforderungen für experimentelle Untersuchungen

2 Möglichkeiten der Verwendung von Brennstoffzellen - Abgasen Primär innermotorische Nutzung Sekundär außermotorische Nutzung energetische Nutzung Zufuhr von BZ-Abgas/ Reformat Kraftstoffeinsparung Anhebung des Prozessniveaus Beeinflussung Zündverzug und Verbr.-beginn Brennverlauf Verringerung Spitzentemp. und -drücke bei der Verbrennung Senkung der Abgasemissionen Einflussnahme auf Schadstoffbildungsmechanismen Emissionsreduzierung durch Abgasnachbehandlung Neuartige katalytische Prozesse Verkürzung der Katalysatoraufheizzeit Temperaturanhebung vor Kat. bei niedriger Last Dieselpartikelfilter- Regeneration

3 Bearbeitungsschritte Berechnung resulitierender Randbedingungen bezüglich der SOFC - Abgase Innenprozessrechnung DK - Mischbetrieb Bewertung der Berechnungsergebnisse Umsetzung der Ergebnisse in ein Prüfstandskonzept Zusammenfassung der Bearbeitungsergebnisse Ausblick auf weiterführende Bearbeitungsschwerpunkte

4 Berechnung der Brennstoffzellen - Abgaszusammensetzung Motorbetrieb mit Reformat (Brennstoffzelle außer Betrieb) Reformat Pumpe Gebläse Brennstoff ( Diesel) Zuluft Reformer Reformat Kathodenabluft Brennstoffzelle (Stack) T = 850 C Wärmeübertrager Abgas (Motor) Anodenoffgas Reformat Abgas (Motor) 1 NVD 18/16 elektrische Energie 6 kw mechanische Energie [Nm3/h] H2 [%] CO [%] CO2 [%] 1.65 H2O [%] 2.33 CH4 [%] 0.01 N2 [%] O2 [%] 0.00 Motorbetrieb mit Anodenoffgas (Brennstoffzelle in Betrieb) Pumpe Gebläse Brennstoff ( Diesel) Zuluft Reformer Reformat Kathodenabluft Brennstoffzelle (Stack) T = 850 C Wärmeübertrager Abgas (Motor) Anodenoffgas Nachbrenner Abgas (Motor) 1 NVD 18/16 elektrische Energie 6 kw mechanische Energie Anodenoffgas [Nm3/h] H2 [%] 6.06 CO [%] 6.91 CO2 [%] H2O [%] CH4 [%] 0.00 N2 [%] O2 [%] 0.00

5 Innenprozessrechnung geometrische Parameter: Ventilgeometrie und Steuerzeiten brennraumseitige Oberflächen Ventilerhebungskurven Durchflußbeiwerte Ventilerhebung [mm] Durchflußbeiwert Ventilerhebungskurve Auslaß- / Einlaßnocken Kurbelwinkel [ KW] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Durchflußbeiwerte Einlaß Auslaß Durchflußbeiwert Einlaß Durchflußbeiwert Auslaß Ventilhub [mm] betriebspunktabhängige Parameter: Motordrehzahl Motorbetriebsparameter (Temp., Drücke) Kraftstoff (Art und Zusammensetzung) Ausgewählte Bauteiltemperaturen Verbrennungsluftverhältnis Umgebungsbedingungen Zylinderdruck [bar] Zylinderdruckverläufe Dk-Betrieb 50% Last 120 Messung FH Stralsund Prozessrechnung MET Kurbelwinkel 0 [ KW]

6 Bewertung der Berechnungsergebnisse Prozessrechnungsergebnisse bei 50 % Motorlast (n = 1191 min -1 ) DK-Betrieb Mischbetrieb Anodenoffgas Mischbetrieb Reformat Parameter DK Anodenoffgas DK Reformat Brennstoffverbrauch [kg/h] Anteil Gesamtenergiemenge [%] Ansaugvolumenstrom [m³/h] erf. Gesamtluftmenge [m³/h] Verbrennungsluftverhältnis [-] O2-Gehalt Ansaugluft [Vol.-%] N2-Gehalt Ansaugluft [Vol.-%] H2-Gehalt Ansaugluft [Vol.-%] ind. Zylinderleistung [kw] eff. Zylinderleistung [kw] Kraftstoffverbrauch DK [g/as] Gas [g/as] effektiver Wirkungsgrad [%] zeitlich mittlere Gastemperatur [K] mittlere Abgastemperatur [ C] max. Verbrennungsdruck [bar] 8,1 7,81 9,38 (8,6 Nm³/h) 7,0415 9,38 (8,6 Nm³/h) 100% 95,84 4,16 86,44 13,56 183,14 (Luft) 173,75 (Luft) 9,38 (BZ-Abgas) 173,75 (Luft) 9,38 (BZ-Abgas) 118,1 90,7 88,7 2,00 1,92 1,96 20,95 (Luft) 19,88 (Gasgemisch) 19,877 (Gasgemisch) 78,08 (Luft) 76,82 (Gasgemisch) 76,82 (Gasgemisch) - 0,31 (Gasgemisch) 1,03 (Gasgemisch) 47,97 47,58 47,41 36,33 36,03 35,90 0,228 0,219 0,197-0,324 0,267 37,8 37,5 37,3 1210,2 1200,7 1209, ,5 97,3 97,5

7 Bewertung der Berechnungsergebnisse Prozessrechnungsergebnisse bei 50 % Motorlast (n = 1191 min -1 ) Zylinderdruck [bar] Zylinderdruckverläufe Dk-/ Mischbetrieb 50% Last Dk-Betrieb 80 Mischbetrieb-Anodenoffgas 70 Mischbetrieb Reformat Kurbelwinkel [ KW] Zylinderdruck [bar] Zylinderdruckverläufe Dk-/ Mischbetrieb 50% Last Dk-Betrieb Mischbetrieb-Anodenoffgas Mischbetrieb Reformat Kurbelwinkel [ KW] Örtlich mittlere Gastemperaturen Dk-/ Mischbetrieb 2500 Örtlich mittlere Gastemperaturen Dk-/ Mischbetrieb 2200 Gastemperatur [K] Dk-Betrieb Mischbetrieb-Anodenoffgas Mischbetrieb-Reformat Gastemperatur [K] Dk-Betrieb Mischbetrieb-Anodenoffgas Mischbetrieb-Reformat Kurbelwinkel [ KW] Kurbelwinkel [ KW]

8 Bewertung der Berechnungsergebnisse Prozessrechnungsergebnisse bei 12,5 % Motorlast (n = 750 min -1 ) DK-Betrieb Mischbetrieb Anodenoffgas Mischbetrieb Reformat Parameter DK Anodenoffgas DK Reformat Brennstoffverbrauch [kg/h] Anteil Gesamtenergiemenge [%] Ansaugvolumenstrom [m³/h] erf. Gesamtluftmenge [m³/h] Verbrennungsluftverhältnis [-] O2-Gehalt Ansaugluft [Vol.-%] N2-Gehalt Ansaugluft [Vol.-%] H2-Gehalt Ansaugluft [Vol.-%] ind. Zylinderleistung [kw] eff. Zylinderleistung [kw] Kraftstoffverbrauch DK [g/as] Gas [g/as] effektiver Wirkungsgrad [%] zeitlich mittlere Gastemperatur [K] mittlere Abgastemperatur [ C] max. Verbrennungsdruck [bar] 2,6 2,3 9,38 (8,6 Nm³/h) 1,5340 9,38 (8,6 Nm³/h) 100% 87,2 12,8 58,13 41,87 71,19 (Luft) 61,8 (Luft) 9,38 (BZ-Abgas) 61,8 (Luft) 9,38 (BZ-Abgas) 29,7 28,8 26,8 2,40 2,15 2,31 20,95 (Luft) 18,19 (Gasgemisch) 18,188 (Gasgemisch) 78,08 (Luft) 74,84 (Gasgemisch) 74,84 (Gasgemisch) - 0,8 (Gasgemisch) 2,66 (Gasgemisch) 14,57 14,4 14,28 9,56 9,45 9,37 0,1173 0,1022 0,0682-0,5148 0, ,7 30,3 30,1 1099,6 1084,1 1103, ,81 74,74 74,85

9 Bewertung der Berechnungsergebnisse Prozessrechnungsergebnisse bei 12,5 % Motorlast (n = 750 min -1 ) Zylinderdruck [bar] Zylinderdruckverläufe Dk-/ Mischbetrieb 12,5% Last Dk-Betrieb Mischbetrieb-Anodenoffgas Mischbetrieb-Reformat Kurbelwinkel [ KW] Zylinderdruck [bar] Zylinderdruckverläufe Dk-/ Mischbetrieb 12,5% Last Dk-Betrieb Mischbetrieb-Anodenoffgas Mischbetrieb-Reformat Kurbelwinkel [ KW] Örtlich mittlere Gastemperaturen Dk-/ Mischbetrieb 2000 Örtlich mittlere Gastemperaturen Dk-/ Mischbetrieb 2000 Gastemperatur [K] Dk-Betrieb Mischbetrieb-Anodenoffgas Mischbetrieb-Reformat Kurbelwinkel [ KW] Gastemperatur [K] Dk-Betrieb Mischbetrieb-Anodenoffgas Mischbetrieb-Reformat Kurbelwinkel [ KW]

10 Bewertung der Berechnungsergebnisse Zusammenfassung für Motortyp 1 NVD 18/16 mit Fremdaufladung + nur geringe, unkritische Abweichungen von Leistung, Höchstdrücken und Druckgradienten * keine erhöhten Triebswerksbelastungen * kein erhöhes Verschleißverhalten + nur geringe, unkritische Abweichungen der Gas-, Abgastemperaturen * gering erhöhte thermische Belastungen im Teillastbereich + prozentualer Anteil der Brennstoffzellenabgase am Verbrennungsprozess ist im Teillastbetrieb des Motors darstellbar, Einfluß bei Volllast gering + Das Emissionsverhalten wird sich auf Grund vergleichbarer Druck- und Temperaturverhältnisse im Vergleich zum reinen Dieselbetrieb unwesentlich ändern. -Die NO x - Emission wird sich durch niedrigeres Luftverhältnis sowie geringere Spitzendrücke geringfügig reduzieren. -Die CO 2 - Emissionen können durch das höhere C-H -Verhältnis im Brennraum reduziert werden. -Der H 2 O - Anteil im Abgas wird zunehmen. + Einluss des H 2 - Anteils im Verbrennungsgas auf die Klopffestigkeit und die Betiebsicherheit bleibt zu prüfen

11 Umsetzung der Ergebnisse in ein Prüfstandskonzept Bereitstellung SOFC - Abgas für die Zumischung Gemischbildungseinrichtung für die Zumischung von SOFC-Abgasen Sicherheitseinrichtungen für die Zumischung von SOFC-Abgasen Prüfstand für experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von SOFC-Abgasen

12 Umsetzung der Ergebnisse in ein Prüfstandskonzept Bereitstellung SOFC - Abgas für die Zumischung + technische Möglichkeiten der Gasbereitstellung * SOFC - Brennstoffzelle im Parallelbetrieb zum Motorbetrieb * SOFC - Brennstoffzelle Betrieb mit Abgaszwischenspeicher * Einsatz einer syntetisierten Gasmischung Gasmischanlage Aufmischen einer definierten Gaszusammensetzung aus mehreren Druckgasen vor Ort vorgemischte Druckflaschen von Anbietern technischer Gase zentral aufgemischte definierte Gaszusammensetzung + H 2 O Anteil von 16,45 % muss dampfförmig unter Druck zugeführt werden

13 Umsetzung der Ergebnisse in ein Prüfstandskonzept Gemischbildungseinrichtung für die Zumischung von SOFC-Abgasen + äußere Gemischbildung in Mischkammer SOFC-Abgase werden der Verbrennungsluft zugeführt. Motor läut im normalen Dieselbetrieb Luft SOFC-Abg. + Luft 5 1 Luftfilter 2 3-Wege-Hahn 3 Sicherheitsventil 4 Mischkammer 5 Verbrennungsmotor 6 Absperrhahn SOFC-Abgas Abgas 2 6 SOFC Abgas aus Druckgasflaschen + SOFC - Abgaseindüsung über 6 radial um 25 versetzte Austrittsbohrungen

14 Umsetzung der Ergebnisse in ein Prüfstandskonzept Sicherheitseinrichtungen für die Zumischung von SOFC-Abgasen + Ereignis: Zerstörung Membran-Druckminderer (SOFC - Abgas wird über Druckflaschen aufgemischt) Wirkung: Überwachung max. Druck in Gasleitung - SI - Ventil schließt + Ereignis: Betätigung Notausschalter Wirkung: Einbindung in Sicherheitssystem des Püfstandes - SI - Ventil schließt - Leistungsschalter fällt (Lastabwurf) + Ereignis: Leckage in Gasleitung Wirkung: manuelle Überwachung Leckagen mit Lecksuchspray, hoher Belüftungsgrad des Prüfstandes + Ereignis: Gasrücktritt in Gasleitung Wirkung: Sicherungsautomat schließt (vgl. Rückschlagventil) + Ereignis: Flammenrückschlag in Gasleitung Wirkung: Flammensperre, Nachströmsperre im Sicherungsautomat + allgemeine Sicherheitsmaßnahmen * Druckwächter und Berstscheiben in Saug- und Abgasrohr des Motors (Zündung in Saug- / Abgasrohr) * Gaswarnsensoren in Zu- und Abluftführung

15 Umsetzung der Ergebnisse in ein Prüfstandskonzept Prüfstand für experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von SOFC-Abgasen Zylinderinnendruck Brennstoffmassestrom Druck in Einspritzleitung, Düsennadelhub Ladeluftdruck, -temperatur, -volumenstrom, Luftverhältnis Sensoren an Ein-, / Auslassventilen Abgasgegendruck, -temperatur -volumenstrom, - zusammensetzung Motortyp 1NVD 18/16 Arbeitsverfahren 4-Takt Brennstoff Diesel, Gas Zylinderanordnung stehend Zylinderzahl 1 Nutzleistung kw 75 Drehzahl U/min 1500 Drehmoment Nm 477 Hubvolumen cm³ 3620 Bohrung mm 160 Hub mm 180 Verdichtungsverhältnis 13,7 Gemischbildung Direkteinspritzung Aufladung Fremdaufladung Ladeluftdruck bar 3,1 (Schraubenverdichter) Drehzahl, Drehmoment Optische Untersuchungen der Verbrennung Mess- und gerätetechnische Ausstattung am 1 NVD 18/16 (FH Stralsund)

16 Zusammenfassung der Bearbeitungsergebnisse Schwerpunkt der Untersuchungen stellte die primäre innermotorische Nutzung der SOFC - Abgase dar + modelltheoretischer Nachweis der Einsatzmöglichkeiten von SOFC - Abgase in Motoren * keine negativen Auswirkungen auf die Bauteilbelastungen und den Motorprozess über den gesamten Lastbereich des gewählten Dieselmotors Typ 1 NVD 18/16 * weiterer Untersuchungsbedarf besteht hinsichtlich der: - Bewertung des H 2 - Anteils auf die Klopffestigkeit und die Betriebssicherheit des Motors - Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Motoren - Detailuntersuchungen zur Optimierung des Betriebsmanagement und Emissionsverhaltens des Motors - Modellpräzisierung auf Basis experimenteller Ergebnisse

17 Zusammenfassung der Bearbeitungsergebnisse + experimentelle Untersuchungen am gewählten Dieselmotor 1 NVD 18/16 sind mit erforderlichen Anpassungen möglich und messtechnisch dokumentierbar. * Zur Umsetzung des erarbeiteten Prüfstandskonzeptes besteht Untersuchungsbedarf zu: - Anpassung der Mischkammer an konkrete Aufgabenstellung (Konstruktion, Fertigung, Systemeinbindung) - Aufbereitung des syntetisierten SOFC - Abgases (Einbindung des H 2 O - Anteils) - Aufbau der erforderlichen Sicherheitseinrichtungen - Prüfstandsoptimierung

18 Ausblick auf weiterführende Bearbeitungsschwerpunkte aus der Studie abzuleitende Schwerpunkte weiterführender Untersuchungen sind die: + Anpassung des vorhandenen Prüfstandes entsprechend den Projektergebnissen + Umsetzung beispielhafter experimentelle Untersuchungen am Motor 1 NVD 18/16 + Modellpräzisierung, Detailuntersuchungen zur Optimierung des Betriebsmanagements und Emissionsverhaltens des Motors auf Basis experimenteller Ergebnisse + Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Motoren bzw. konkrete Fahrzeugkonzepte Die Expertise bildet die Grundlage für Folgeprojekte, deren Forschungsergebnisse in die industrielle Produktentwicklung zu überführen sind.