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1. Dessauer Gasmotoren-Konferenz | 10. - 11. Juni 1999

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Kurzfassung der Diskussionsbeiträge

Das WTZ Roßlau veranstaltete am 10. und 11. Juni 1999 die 1. Dessauer Gasmotoren-Konferenz. Die Tagung brachte Herstellerfirmen mit Forschern und Anwendern der Gasmotorentechnologie zusammen und wird nun ein regelmäßig stattfindendes Forum für den Erfahrungsaustausch auf diesem Fachgebiet sein. Die 1. Konferenz hatte folgende thematische Schwerpunkte:

  1. Neue Gasmotoren
  2. Gasmotorenzubehör
  3. Sondergase
  4. Computersimulation und Laserspektroskopie sowie
  5. Anwendungserfahrungen

Im Folgenden eine Kurzfassung der Beiträge. Sollten Sie tieferes Interesse an der Problematik haben, können Sie auch den Tagungsband beziehen.

1 Neue Gasmotoren

Rod Thomas von Ricardo Consulting Engineers Ltd gab in seinem Eröffnungsvortrag zur Konferenz einen Überblick über den Stand der Entwicklung und formulierte als anspruchsvolles Ziel für zukünftige Gasmotoren einen Wirkungsgrad bis zu 50 % bei gleichzeitig verringerten Emissionen, wobei das Hauptaugenmerk dabei auf den Stickoxiden und Methan liegen wird.

Volker Höppner von MWB Motoren & Anlagen GmbH & Co. schilderte den bisher noch seltenen Einsatz von Gasmotoren als Schiffsantrieb. Die geringe Verbreitung liegt u. a. darin begründet, dass Dieselkraftstoff für die Binnenschifffahrt nicht der Mineralölbesteuerung unterliegt und somit zwischen 10 und 15 % billiger ist als Erdgas. Daher wird der Anwendungsschwerpunkt zunächst in Bereichen liegen, in denen der Umweltvorteil den Ausschlag gibt, wie z. B. bei Passagierfähren in touristisch stark frequentierten Regionen. In dem Vortrag wurden für zwei Projekte die jeweils zum Einsatz kommenden Motoren, Aspekte des logistischen Konzeptes (Betankung, Kraftstoffspeicherung) sowie sicherheitsrelevante Fragen beleuchtet.

David Meyers beschrieb die Arbeiten von Southwest Research Institute zur Entwicklung einer gasmotorisch angetriebenen Lokomotive. An einem 1-Zylinderversuchsmotor wurden 6 verschiedenen Brennverfahren erprobt und das sogenannte LaCHIP (Late Cycle High Injection Pressure) ausgewählt. Es handelt sich um ein Brennverfahren für einen Diesel-Gasmotor, bei dem neben einer kleinen Menge Dieselkraftstoff auch das eigentliche Brenngas direkt in den ungeteilten Brennraum eingespritzt bzw. eingeblasen wird. Wesentliche Teile der Verfahrensoptimierung wurden mit Hilfe von CFD-Berechnungen durchgeführt. Das Ziel einer 75 %igen Senkung der NOx-Emissionen (bei 10 % Wirkungsgradeinbuße) im Vergleich zum Basis-Dieselmotor konnte erreicht werden. Begnügt man sich mit einer Reduktion der Stickoxide um 50 %, so kann man den Motor mit dem gleichen Wirkungsgrad wie mit Dieselkraftstoff betreiben.

In dem Vortrag von Karl Schwarze wurden die gemeinsamen Arbeiten von SKL Motoren- und Systemtechnik GmbH und WTZ für Motoren- und Maschinenforschung Roßlau gGmbH zur Entwicklung eines Gasmotors, ausgehend von der MTU 4000 Dieselmotorenbaureihe, dargestellt. Ziel war die Unterschreitung der Grenzwerte der TA Luft um 50 % bei einem Wirkungsgrad über 40 %. Für die Realisierung wurde ein Magermotorkonzept mit einer Vorkammerzündung gewählt. Die Vor- und Hauptbrennkammer wurden mit Hilfe von CFD-Berechnungen ausgelegt, aber nur durch eine wechselseitige experimentelle Optimierung der Geometrie der Brennkammern sowie deren Verbindung (Anzahl, Querschnitt, und Blaswinkel der Einblaselöcher) konnten die o. g. Ziele erreicht werden.

Der Kostendruck im Markt für stationäre Gasmotoren führt dazu, dass Motoren mit einer Nenndrehzahl von 1500 min-1 zunehmend in den Leistungsbereich oberhalb von 1000 kW vordringen. Werner Steinmetz von Zeppelin Baumaschinen GmbH schilderte die Strategie von Caterpillar zur Erreichung dieses Zieles, die so genannten Tandemmotoren. Ein 12- und ein 16-Zylindermotor der Baureihe 3500 von Caterpilar werden über eine speziell entwickelte Kupplung verbunden und treiben gemeinsam einen Generator an. Der Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die Investitionskosten im Vergleich zu Motoren mit einer Drehzahl von 1000 min-1 niedriger sind und da die Leistungssteigerung nicht über einen erhöhten Nutzdruck oder eine erhöhte Kolbengeschwindigkeit erzielt wird, eine hohe Verfügbarkeit und Lebensdauer der Motoren erreicht wird.

2 Gasmotorenzubehör

Im ersten Vortrag dieser Sektion schilderte Günter Herdin zwei von der Jenbacher Energiesysteme AG entwickelten Systeme zur Überwachung und Steuerung von Gasmotoren. Je höher die Nutzdrücke und je magerer moderne Gasmotoren betrieben werden, desto größere Anforderungen werden an die Zündkerzen gestellt und desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass deren Lebensdauer abnimmt. MONIC (monitoring ignition control) ist ein System, dass die Zündspannung einer Zündkerze auf der Hochspannungsseite misst und in Verbindung mit modernen Steuersystemen eine Anpassung der Zündenergie zum Zwecke einer Lebensdauersteigerung der Zündkerze erlaubt. Um auftretende Zündaussetzer in einem Mehrzylindermotor einem einzelnen Zylinder zuordnen zu können, wurde von Jenbacher eine optische Methode (OCA) entwickelt. Zum Nachweis einer erfolgreichen Zündung wird die Strahlungsemission eines charakteristischen, während der Verbrennung gebildeten Radikals verwendet. Das Fehlen eines solchen Signals ist ein sicheres Zeichen für das Ausbleiben einer Zündung. Ein System, das ebenfalls für einzelne Zylinder eine Aussage über Zündaussetzer ermöglicht und auf einer Zünddruckmessung nach dem Dehnungsmessstreifenprinzip basiert, wurde von Stefan Neumann von der IMES GmbH vorgestellt. Der Drucksensor muss nicht gekühlt werden. Trotzdem wird durch einen integrierten Temperatursensor eine Genauigkeit der Druckmessung von ± 0,5 % erreicht.

Ioannis Vlaskos, ABB Turbo Systems, berichtete über die Entwicklung von ABB-Turboladern der Serie TPS mit VTG (variable turbine geometry). Das Neue der ABB-Konstruktion besteht darin, dass Totvolumina zwischen Turbinenleitgitter und Gehäuse, die den Laderwirkungsgrad herabsetzen, vermieden werden, ohne dass die Beweglichkeit der Leitschaufeln bei thermischer Verformung oder aufgrund von Ablagerungen beeinträchtigt wird. In 2-jährigen Feldversuchen in Magermotoren konnte ein Motorwirkungsgradgewinn von 1 - 2 % gegenüber Turbolader ohne VTG und die Dauerbetriebstauglichkeit bestätigt werden.

Markus Umierski von der FEV Motorentechnik GmbH stellte ein neues Brennverfahren für Gasmotoren vor. Der Brennraum wurde so gestaltet, dass der Drall effektiv in Turbulenz umgewandelt und dadurch die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht wird. An einem 1-Zylinder-Versuchsmotor konnte gezeigt werden, dass der Motor eine geringe Klopfneigung besitzt, ein sehr magerer Motorbetrieb möglich ist und aufgrund der verringerten Quetschströmung die Kohlenwasserstoffemissionen relativ niedrig sind. Wird der Motor hinsichtlich der Stickoxide zur Einhaltung der TA Luft-Grenzwerte abgestimmt, so wird bei Nutzdrücken von 25 bar ein Wirkungsgrad zwischen 42 und 43 % möglich.

Kelly Benson erläuterte in seinen Ausführungen die Funktionsweise der von Woodward Governor entwickelten Gasdosier- und Mischeinheit Tecjet sowie die zugehörige Steuereinheit EGS-01. Es handelt sich um einen zentralen (single point) Gasmischer, in dem die Funktion der Dosierung von der Mischung getrennt wurde. Dadurch wird eine Anwendung für unterschiedliche Gase mit stark variierendem Heizwert möglich.

Die logarithmische Öffnungscharakteristik des Dosierventils garantiert auch eine genaue Dosierung für kleine Gasmengen. Die Nutzung einer Schwingspule als Stellglied führt bei Motorlastwechseln zu einer sehr schnellen Regelung. Ungewollte Lastwechsel aufgrund von Änderungen der Gaszusammensetzung werden von der Steuereinheit durch eine automatische Anpassung des Verbrennungsluftverhältnisses ausgeglichen, so dass der Motor nach kurzer Zeit wieder die gleiche Leistung und NOx-Emission aufweist.

3 Sondergase

Kreislaufwirtschaftsgesetz und die Technische Anleitung Siedlungsabfälle bewirken mittelfristig, dass sich die Menge des deponierten Abfalls verringern und die Zusammensetzung ändern wird. Alexander Schmitt, G.A.S. Energietechnik, betonte in seinem Vortrag, dass Deponiegase in Zukunft durch abnehmende Methangehalte gekennzeichnet sein werden und diskutierte die Möglichkeiten, die Betreiber von Deponien für eine wirtschaftliche energetische Nutzung des Gases haben.

Grubengas, das aus Kohleflözen ausdiffundiert, kann mit Luft explosionsfähige Gemische bilden. Sicherheitstechnisch befriedigende Lösungen haben oft den Nachteil, dass das klimarelevante Methan direkt in die Atmosphäre gelangt. Stefan Langhabel, Stadtwerke Saarbrücken GmbH, stellte eine Anlage, bestehend aus einer Absaugeinrichtung und einem 225 kWel-BHKW-Modul, vor, die es erlaubt, das Grubengas energetisch zu nutzen. Während einer zehnjährigen Betriebsdauer konnten so die Emissionen klimarelevanter Gase um 60 % im Vergleich zur "Kaltabfackelung" gesenkt werden. Bei gleichzeitiger Nutzung der Abwärme ergeben sich Stromgestehungskosten zwischen 7 und 15 Pf/kWh.

Die Betrachtungen von Hinrich Mohr, B+V Industrietechnik GmbH, konzentrierten sich auf die Auswirkungen, die unterschiedliche Gasqualitäten auf Zünddruck und Brennverlauf in Diesel-Gasmotoren haben. Im Vergleich zu Zündkerzen ist die Zündenergie, die durch eine Piloteinspritzung von Dieselkraftstoff zur Verfügung gestellt wird, um 4 - 5 Zehnerpotenzen höher. Damit sind ideale Voraussetzungen gegeben, um auch Gase mit sehr hohem Inertgasanteil bei gutem Wirkungsgrad zu verbrennen. Z. B. sind Brennverlauf und Wirkungsgrad von einem Erdgas mit einem Methangehalt von nur 36 % nahezu identisch mit denen eines Erdgases, das zu 98 % aus Methan besteht. Unterschiede zeigen nur Gase, deren Hauptbrennkomponente Kohlenmonoxid ist.

4 Computersimulation und Laserspektroskopie

Moderne CFD-Programme (Computational Fluid Dynamics) liefern schon gute Resultate bei der Berechnung von Strömungen, in denen keine chemischen Reaktionen auftreten. Die Fortschritte, die mittlerweile bei der Simulation reaktiver Strömungen erzielt wurden, zeigte Stephan Laiminger von der TU Graz in seinem Vortrag auf. Wegen der komplexen Reaktionskinetik in einem Verbrennungsmotor müssen vereinfachte kinetische Ansätze, wie z. B. das Magnussen Modell, verwendet werden. Demgegenüber liefert das PDF-Modell wegen der expliziten Berücksichtigung von Turbulenz und Reaktionskinetik meist bessere Resultate. Werden die Modelle an die experimentell ermittelten Druck- und Brennverläufe angepasst, so können CFD-Berechnungen für Parameterstudien in der Gasmotorenentwicklung eingesetzt werden. In einem 1-Zylinder-Vorkammer-Gasmotor konnte durch rechnerische Optimierung des Vorkammervolumens sowie der Einblaslöchergeometrie eine Wirkungsgradsteigerung von 3 % bei gleichzeitig verringerter NOx-Emission erzielt werden.

Zur Überprüfung der o. g. Berechnungsmodelle sind Messungen der Schadstoffkonzentrationen und Temperaturen im Brennraum eines Motors unerlässlich. Christof Schulz, Universität Heidelberg, zeigte, wie man mit Hilfe der Laserspektroskopie Absolutwerte der Temperaturen und NOx-Konzentrationen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung im Brennraum eines Motors bestimmen kann. Eine Besonderheit der im Vortrag geschilderten Messungen ist die gleichzeitige Bestimmung der Temperaturen mit Rayleigh-Streuung und der Stickoxidkonzentrationen mit Laserinduzierter Fluoreszenz. Dadurch können die Änderungen des Temperaturprofils direkt mit den NOx-Konzentrationen korreliert werden.

Die experimentelle Bestimmung der Flammenausbreitung infolge eines Zündprozesses in einer stöchiometrischen Mischung aus Methan und Luft erfordert eine zeitliche Auflösung in der Größenordnung von 1 ms. Durch eine Zusammenarbeit zwischen der Universität Stuttgart und dem Lund Institute of Technology wurden solche Messungen weltweit zum ersten Mal möglich. Gemessen wurde die Laserinduzierte Fluoreszenz von Hydroxylradikalen mit Hilfe eines Nd:YAG-Lasersystems sehr hoher Repetitionsrate (einige kHz). Unter laminaren Bedingungen konnte der Zündprozess sehr gut modelliert werden. Wie Steffen Lindenmaier betonte, wurden auch schon LIF-Messungen der Zündung einer turbulenten Strömung durchgeführt, jedoch gelang die vollständige numerische Simulation dieses Prozesses bisher noch nicht.

5 Anwendungserfahrungen

Karl-Friedrich Henke, Norddeutsche Energieagentur, stellte in seinem Vortrag die wirtschaftliche Einbindung eines BHKW's in ein Fernwärmenetz in Stralsund vor. Die drei MWM-Magermotoren mit je einer elektrischen Leistung von 1938 kW decken 25 % der benötigten Wärmeleistung im Fernwärmenetz ab und erreichen dadurch etwa 6500 Volllast-Betriebsstunden pro Jahr. Durch konsequente Nutzung der Abgaswärme wird ein Gesamt- Energienutzungsgrad von 92,8 % erreicht. Während der bisher zweijährigen Betriebsdauer waren die Motorstillstandzeiten aufgrund von Störungen so gering, dass die Gesamtverfügbarkeit der Anlage mit 99,8 % deutlich über der von Großkraftwerken liegt.

Je höher die jährliche Betriebsstundenzahl eines BHKW desto wirtschaftlicher ist sein Einsatz. Bei Notstromaggregaten steht dagegen der Sicherheitsaspekt im Vordergrund. Ulrich Prochaska, ETA GmbH, zeigte in seinem Vortrag, dass beide Ziele kombiniert werden können. Für den Einsatz eines BHKW's als Sicherheitsstromquelle im Dauerbetrieb müssen besondere Anforderungen an die Lastzuschaltfähigkeit der Motoren gestellt werden. Im Netzersatzbetrieb muss die Zuschaltung von Geräten nach einer Prioritätenliste erfolgen und die Steuerung muss Störungen untergeordneter Priorität gegebenenfalls ignorieren. Bei Stromausfall muss entweder die Gasversorgung sichergestellt sein oder ein netzungebundener Brennstoff wie Propan zur Verfügung stehen.

In den beiden abschließenden Vorträgen der Konferenz stand der Einsatz von Gasmotoren für Fahrzeuge im Vordergrund. Wie Ernstwendelin Bach, FH Dresden, ausführte, können mit CNG betriebene Pkw oder Nkw einen Beitrag zur Reduzierung der Emissionen des weiterhin zunehmenden Straßenverkehrs leisten, weil heute schon serienmäßige Motoren die Anforderungen der EURO IV-Norm erfüllen. Wesentliche Hindernisse für eine breitere Markteinführung in Deutschland bestehen trotz der niedrigen Besteuerung von Erdgas hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und des nicht flächendeckenden Erdgas-Tankstellennetzes.

Das Problem der mangelnden Infrastruktur ist durch bivalente Antriebe zu lösen. Ernst Sperling, FH Saarbrücken, hob in seinem Vortrag hervor, dass man die höhere Oktanzahl von Erdgas wenigstens z. T. ausnutzen sollte, indem man den bivalenten Antrieb für eine RON von 98 optimiert und für Erdgas angepasste Katalysatoren verwendet. Insgesamt erzielt man um 2 - 3 % höhere Wirkungsgrade bei verminderten HC- und CO-Emissionen, wobei aber höhere Werte für die Stickoxide in Kauf genommen werden müssen.

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