Die Vor- und Nachteile von Methanol und Wasserstoff

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Die Ergebnisse eines kürzlich von der Anglo Belgian Corporation (ABC) durchgeführten Prüfstandsversuchs von Methanol und Wasserstoff mit erneuerbaren Kraftstoffen an einem Einzylindermotor haben ihr Potenzial zur Reduzierung von Treibhausgasen (GHG) bewiesen. Die Ergebnisse wurden auf dem diesjährigen CIMAC-Kongress 19 in Vancouver unter dem Titel "Dual-Fuel Engines Running on Renewable Fuels like Methanol and Hydrogen" von ABC-Entwicklungsingenieur Luc Mattheeuws und CEO & Managing Director Tim Berckmoes vorgestellt.

Unter atmosphärischen Bedingungen ist Methanol eine Flüssigkeit, die sich ähnlich wie Dieselöl verhält, aber aufgrund seiner geringeren Dichte zwei- bis dreimal größere Tanks benötigt, was zu Lagerproblemen führt. Mit einem niedrigen Flammpunkt kocht es bei 65°C bei Atmosphärendruck und Einspritzung, nutzt die latente Wärme der Ansaugluft zum Verdampfen und kann zur Unterstützung der Methanolverdampfung Wärme aus dem Turbolader entnehmen, um die Temperatur der Ansaugluft zu erhöhen.

Dual-Fuel-Motoren, die für die Verwendung von Methanol gebaut wurden, verfügen über ein Diesel-Einspritzventil und eine Niederdruck-Methanol-Port-Kraftstoffeinspritzung. Mit diesem einfachen System ist es möglich, bestehende Motoren vom Betrieb mit Dieselkraftstoff auf den Betrieb mit Methanol umzustellen.

Bei der Einspritzung hat Methanol eine Zündverzögerung, die dadurch verursacht wird, dass das Methanol verdampft und die Wärme aus dem Gemisch entnimmt, was zu einer Absenkung von Temperatur und Druck führt und einen Abfall des Kompressionsspitzendrucks verursacht. Die Tests von ABC stellten fest, wie wichtig es ist, dass der Einspritzwinkel richtig eingestellt ist, um die Zerstäubung und das Auftreffen von Spritzern auf ein Minimum zu reduzieren.

Mit einem optimierten Einspritzwinkel konnte Methanol schneller verdampft werden und eine Reduktion des NOx um 1 g/kWh wurde gemessen, ohne andere Parameter zu verändern. Auf der anderen Seite wurde festgestellt, dass der Wirkungsgrad des Motors mit zunehmender Methanolmenge abnahm. Der Motorwirkungsgrad wurde jedoch durch Reduzierung der Ansaugluftmasse wieder auf ein akzeptables Niveau gebracht, und ein Rückgang von 3-5% Methanol reichte aus, um den Motorwirkungsgrad auf ein akzeptables Maß zu steigern. Alternativ konnte durch die Erhöhung der Ladelufttemperatur die für die Verdampfung des Methanols erforderliche Latentwärme mit der ursprünglich eingestellten Menge erhöht werden.

Insgesamt war eine allgemeine Reduzierung des NOx-Wertes zu beobachten, wobei eine potenzielle Reduktion von 3 g/kWh mit 50% Methanol möglich war und der gute Motoreffizienz weiterhin beibehalten wurde. Mit der optimierten Einspritzung und der erhöhten Ladedruck-Einlasstemperatur wurde CO2 bei einer potenziellen 50-70%igen Reduktion gemessen.

Partikelmaterial (PM)/Ruß ergab eine potenzielle Reduktion, hing jedoch vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis ab und muss laut Anglo Belgian Corporation validiert und genauer untersucht werden, insbesondere wenn der Diesel-Pilotkraftstoff auf ein Minimum reduziert werden kann. Insgesamt wurde festgestellt, dass der Testmotor effizient und vergleichbar mit Diesel läuft, wenn die Verbrennungseinstellungen gesteuert wurden.

Wasserstoff als explosives Gemisch hat 2,5 mal weniger Energie als NG, mit weniger potenziellen Schäden, und ist bei - 253°C flüssig, was wiederum zu Lagerungsproblemen führt. Dual-Fuel-Motoren, die für die Verwendung von Wasserstoff ausgelegt sind, verfügen über ein Diesel-Einspritzventil und ein NG-Zulaufventil (GAV), und es ist ebenfalls möglich, bestehende Motoren umzurüsten.

Wasserstoff hat ein alternatives Problem mit Methanol, da er vorzündet. Es wurde festgestellt, dass bei gleichem Einspritzpunkt, bei gleicher Kompression, Geschwindigkeit und Last die Vorzündung immer bei gleicher Wasserstoffkonzentration begann. Bei der Erhöhung des Luftstroms steigt auch die mögliche Menge an Wasserstoff, die eingespritzt werden muss; die Vorzündung erfolgt jedoch aufgrund des niedrigen Flammpunktes.

Wasserstoff neigt auch zur Selbstzündung, und da die Tests an einem Einzylindermotor durchgeführt wurden, war es nicht möglich, den Ladeluftdruck zu erhöhen, um nach Lösungen für das Problem zu suchen. Es wurde angenommen, dass der Testmotor an Hot Spots oder einer lokal hohen Wasserstoffkonzentration litt. Weitere Tests werden in Betracht gezogen, wenn ABC in der Lage ist, die Ansaugluftmasse zu erhöhen, um zu sehen, ob dies eine Selbstzündung verhindert.

Die NOx-Bildung war mit Diesel vergleichbar, allerdings nur wegen des hohen Massenstroms der Ansaugluft und die NOx-Bildung hängt stark von der Verdünnungsrate des Wasserstoffs ab. Die Flammengeschwindigkeit (und die Expansionsrate) des Wasserstoffs ist weitaus höher als bei Dieselkraftstoff, so dass die Wärmeabgabe im Zylinder früher erfolgt und dies auch zu einer hohen NOx-Emission führt. Eine Lösung zur Reduzierung der NOx-Emission besteht darin, das Gemisch zu verdünnen, die Flammengeschwindigkeit zu verringern und damit die Wärmeabgabe zu verzögern.

Es wurde festgestellt, dass CO2 bei Tests mit einem höheren Ladedruck eine potenzielle Reduktion von 50-60% aufweist und wird zur Verbesserung untersucht. PM/Ruß wurde mit einer potenziellen positiven Reduktion gemessen und mit erhöhter Wasserstoffeinleitung reduziert. Der Wirkungsgrad des Testmotors war mit dem von Diesel vergleichbar und wird voraussichtlich etwas höher sein, wenn er vollständig entwickelt und konstruiert ist.

Im Allgemeinen haben Methanol und Wasserstoff das Potenzial, CO2 mit positiven und negativen Vorteilen zu reduzieren. Der Umgang mit Methanol in flüssiger Phase erleichtert den Einsatz dieses Kraftstoffs in Nachrüstlösungen. Die Bunkerung von Wasserstoff an Bord eines Schiffes wird es schwieriger machen. Beide Kraftstoffe sind nicht in allen Häfen leicht verfügbar, daher muss die Infrastruktur ausgebaut werden. Die Kosten für diese Kraftstoffe sind noch nicht stabilisiert und schwanken je nach Herstellung, Nachfrage und Verfügbarkeit.

Das Potenzial zur Verbrennung von grünen Kraftstoffen im ABC-Verbrennungsmotor ist nachgewiesen, obwohl der Verbrennungsprozess derzeit überprüft wird. Wenn die Konstruktion des Einzylinder-Forschungsmotors auf einen Mehrzylindermotor hochgerechnet werden kann, dann zeigt der Einsatz von Methanol und Wasserstoff das Potenzial zur Reduzierung der CO2-Emissionen.

Methanol und Wasserstoff können den CO2-Ausstoß reduzieren. Der Umgang mit Methanol in Flüssigkeit erleichtert die Nachrüstung, während Wasserstoff schwer zu speichern ist. Wasserstoff entzündet sich leichter als Methanol, aber er muss vollständig erneuerbar sein, um völlig CO2-neutral zu werden.