Forschung an Gasmotoren – Beitrag zum Klimaschutz

Gasförmige Kraftstoffe haben das Potenzial, die CO₂-Emissionen aus dem Straßenverkehr deutlich abzusenken. Allerdings zeigen Arbeiten der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV), dass noch großer Forschungsbedarf besteht. Motor und Kraftstoff sollen künftig besser aufeinander abgestimmt werden.

Wenig Kohlenstoff, viel Wasserstoff – diese molekularen Eigenschaften von Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, führen zu einer besonders CO₂-armen Verbrennung. Wird ein Motor mit Erdgas statt mit Flüssigkraftstoffen betrieben, stößt er rund ein Viertel weniger Kohlendioxid aus. Zudem können Gasmotoren einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende leisten. Technisch ist es möglich, dem Erdgas höhere Mengen Wasserstoff beizumischen, der aus überschüssigem Solar- und Windstrom gewonnen werden kann. Doch wie sollen Motoren für den Betrieb mit Erdgas-Wasserstoff-Gemischen ausgelegt werden? Und wie kann verhindert werden, dass unverbranntes Methan in die Erdatmosphäre gelangt?

Grundsätzlich können moderne Verbrennungsmotoren, die auf Erdgasbetrieb ausgelegt sind, mit einem Wasserstoffanteil von rund 30 % betrieben werden. Würde jedoch der Motor nicht an diese Betriebsart angepasst, stiegen die Stickoxidemissionen. Grund dafür ist die hohe Geschwindigkeit der Wasserstoffverbrennung und die erhöhte Flammentemperatur. Eine Anpassung des Motors an das Gasgemisch ist daher dringend erforderlich – und technisch vor allem durch eine Verstellung des Zündzeitpunkts auch möglich. Dies zeigt eine Übersichtsarbeit, die Professor Dr. Georg Wachtmeister von der Technischen Universität München kürzlich abgeschlossen hat. Im Auftrag der FVV hat Wachtmeister die Ergebnisse aus mehr als 250 wissenschaftlichen Veröffentlichungen zusammengetragen. Dabei wurde deutlich, dass noch erheblicher Forschungsbedarf besteht. In vielen Punkten liegen wissenschaftliche Arbeiten zum motorischen Verhalten von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen gar nicht vor. Als Beispiel nennt Prof. Wachtmeister die Abhängigkeit der Verbrennung von der tatsächlichen Gaszusammensetzung. Beispielsweise ist der Heizwert von Erdgas nicht konstant und liegt bei unkonventionellen Gewinnungsmethoden, zum Beispiel durch Fracking, relativ niedrig. Auch Wasserstoff ist als Kraftstoff nicht genormt. Man muss sich darauf einstellen, eine Vielzahl verschiedener Gase zu verbrennen. Um Motoren darauf optimal einzustellen, fehlt noch das notwendige Wissen.

In einem derzeit noch laufenden Forschungsvorhaben der FVV beschäftigt sich Prof. Wachtmeister gemeinsam mit Prof. Dr. Friedrich Dinkelacker von der Leibniz Universität Hannover mit dem Methanschlupf von Gasmotoren. Unter „Methanschlupf“ verstehen die Wissenschaftler das Entweichen von nicht verbranntem Gas in die Umwelt. Dies ist besonders kritisch, weil Methan in der Erdatmosphäre als Treibhausgas wirkt – und zwar rund 20-mal stärker als Kohlendioxid. Den Ursachen für Methanschlupf sind die Wissenschaftler auf der Spur. Es sind überwiegend lokale Effekte, die zum Methanschlupf führen. Daher wird die Verbrennung im Rahmen des Vorhabens detailliert simuliert. Validiert werden die Ergebnisse durch Experimente an einem 4,8-Liter-Motor. Dabei zeigte sich bereits, dass ein Zielkonflikt zwischen der Minimierung der Kohlendioxidemission und des Methanschlupfes besteht. So führt ein Verbrennungsverfahren, das mit frühem Schließen des Einlassventils arbeitende Miller-Verfahren, zwar zu einer geringeren NOX-Bildung und je nach Auslegung auch zur einem höheren Wirkungsgrad, aber auch zu höheren Anteilen unverbrannten Kraftstoffes. Wenn das Forschungsvorhaben Ende 2015 abgeschlossen ist, wollen die beteiligten Institute Empfehlungen erarbeitet haben, wie solche Zielkonflikte durch die Gestaltung des Brennraums und der Motorsteuerung optimal zu lösen sind.

Ein weiteres von der FVV koordiniertes Forschungsprojekt beschäftigen sich mit den Verbrennungseigenschaften von Flüssiggas (LPG, Liquified Petroleum Gas). LPG besteht im Wesentlichen aus einem Gemisch der Gase Butan und Propan, die sowohl bei der Erdölförderung als auch in Raffinerien als Nebenprodukt anfallen. Wie effizient dieses Gemisch verbrennt, hängt stark vom Propananteil ab. Wissenschaftler der RWTH Aachen und der Hochschule für Wirtschaft und Technik des Saarlandes untersuchen nun gemeinsam, wie sich verschiedene Gasmischungen verhalten, wenn sie in modernen Ottomotoren mit Direkteinspritzung genutzt werden. Die Ergebnisse des Mitte 2015 vorliegenden Vorhabens sollen vor allem dazu dienen, die Einspritzsysteme für Flüssiggas zu optimieren. Gleichzeitig können sie für die anstehende Überarbeitung der europäischen LPG-Kraftstoffnorm genutzt werden.

http://www.fvv-net.de