CREDO – Carbon REduced Dual-fuel cOmbustion

Ausgangslage

In der Grossschifffahrt werden noch lange Zeit Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, da die Batteriespeicherdichte für Langstreckenfahrten mit elektrischem Antrieb noch nicht realisierbar resp. wirtschaftlich vertretbar ist. Für die Dekarbonisierung der Seefahrt ist daher eine Umstellung auf CO₂-arme resp. CO₂-freie Kraftstoffe ein rasch realisierbarer und zielführender Weg – auch im Hinblick auf ein Retrofit der bestehenden Flotte.

Der für die geplanten Grundlagenstudien zum Zünd- und Verbrennungsverhalten der neuartigen Kraftstoffe sowohl in der Hauptbrennkammer als auch in den Vorkammern derartiger Motoren ideal geeignete «Flex-OeCoS»-Versuchsträger am Institut für Thermo- und Fluid-Engineering wird daher entsprechend modifiziert (Abbildung 1+2, links). Die Versuche werden von umfangreichen 3D-Simulationen begleitet, welche die Versuchsträgerentwicklung sowie die Auswertung der experimentellen Daten unterstützen.

Abbildung 1: Flex-OeCoS Prüfstand zur optischen und thermodynamischen Untersuchung von modernen Kraftstoffen

Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau des Flex-OeCoS: Elektrisch angetriebener 4-Zylinder Motorblock, wobei lediglich ein Zylinder in Betrieb ist. Der aufgesetzte optische zugängliche Zylinderkopf erlaubt es verschiedenste Brennverfahren mit unterschiedlichsten Kraftstoffen zu untersuchen. Dabei können unterschiedliche Kraftstoff-Einbringungsysteme und Zündsysteme miteinander kombiniert werden.

Ziele

Ziel des Projekts ist es zu untersuchen, wie sich der Ersatz von Erdgas durch alternative, kohlenstoffreduzierte gasförmige Brennstoffe bei magerer Vormischverbrennung, wie sie in vielen Dual-Fuel-Grossmotoren heute üblich ist, auswirkt. Ein kohlenstoffreduzierter Kraftstoff vermindert den CO₂ Ausstoss eines Verbrennungsmotors direkt, durch vollständig kohlenstofffreie Kraftstoffe (z.B. Wasserstoff (H₂) und Ammoniak (NH₃) kann der CO₂ Ausstoss fast vollständig eliminiert werden.

Ergebnisse

Die neuartigen untersuchten Kraftstoffe können sowohl mit einem flüssig eingespritzten Pilotkraftstoff (Abbildung 2, rechts) als auch mit einer Vorkammer (Zündstrahlverfahren) gezündet werden. Die Visualisierung der Verbrennung (Abbildung 3, links) erlaubt die Ermittlung wichtiger Parameter wie der Flammausbreitungsgeschwindigkeit oder dem Zündverzug in Abhängigkeit der eingesetzten Kraftstoffe. Dies ist einerseits für die Entwicklung neuer Motoren notwendig, bietet andererseits aber auch die Grundlage für ein Retrofit der bereits bestehenden Schiffsflotte auf die neuartigen Treibstoffe.

Die begleitende Emissionsmessung ist von entscheidender Bedeutung, da bei der Verbrennung der neuartigen Kraftstoffe Schadstoffe entstehen können, die aufgrund ihres hohen CO₂-Äquivalenzpotenzials die CO₂-Reduktionswirkung deutlich vermindern (z.B. Lachgas N2O bei Ammoniakmotoren, Abbildung 3, rechts.

Die entsprechenden CFD-Simulationen tragen zum Transfer der Resultate in die Praxis bei, ein erstes Ziel ist die Erarbeitung des Pflichtenheftes für die Installation eines Prototyps an einem Einzylinder-Versuchsmotor.

Abbildung 3 links: Vergleich zweier Vorkammer-Brennverfahren. Dabei werden zwei Experimente mit Ammoniak als Kraftstoff in der Hauptkammer (rundes unteres Sichtfenster) verglichen. Beim oberen Experiment (NH3) ist die Vorkammer (das obere kleine rechteckige Fenster) ebenfalls mit NH3 und Luft befüllt. Bei der unteren Bildreihe (H2) ist die Vorkammer hingegen mit Wasserstoff und Luft befüllt. Nach der Zündung des Gemischs in der Vorkammer breitet sich zuerst die Flamme in der Vorkammer aus, dann treten heisse Gase in die gekoppelte Hauptkammer ein die das Gemisch in der Hauptkammer entzünden (grüne Zonen). Rechts: Darstellung des CO2-Vergleichseinsparpotenzials, wenn Erdgas durch NH3 als Kraftsoff ersetzt wird, in Abhängigkeit des idealen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) in der Hauptkammer. Es zeigt sich ein schnell ein schlechtes CO2-einsparpotential, wenn hohe N2O Emissionen bei erhöhtem Lambda auftreten. Ein geeignetes Abgasnachbehandlungssystem würde dann zwingend notwendig.