Oxyfuelmotor

Der Oxyfuelmotor, in dem Brennstoff mit Reinsauerstoff verbrannt wird, unterscheidet sich grundlegend von den derzeit eingesetzten Verbrennungsmotoren, die als Otto- oder Dieselmotoren den Brennstoff mit Luft verbrennen. Die bei Verbrennung mit Luft in 4-Takt-Hubkolbenmotoren erforderlichen Takte des Ansaugens und des Verdichtens der Verbrennungsluft entfallen beim Oxyfuelmotor.

Der Oxyfuelmotor mit Recuperatoren ist ein 2-Takt-Hubkolbenmotor.

Erster Takt des Oxyfuelmotors

1. Zu Beginn des 1. Taktes steht der Kolben am oberen Totpunkt (OT). Das Auslassventil ist geschlossen. Der Kolben bewegt sich in Richtung der Kurbelwelle und O₂ strömt über ein oder mehrere Einlassventile unter hohem Druck in den Zylinder. Dabei wird das O₂ vor dem Einströmen in den Zylinder im Oxy-Rekuperator durch Wärmeübertragung aus dem Abgas des Oxyfuelmotors erhitzt, je nach Motorauslegung auf eine Temperatur zwischen auf 700 °C bis 900 °C. Das O₂ wird mit einem Druck oberhalb des kritischen Drucks des Sauerstoff von 50,9 bar in den Oxyfuelmotor geführt. Einen Phasenübergang gibt es daher bei der Erhitzung des O₂ im Oxy-Recuperator nicht.

Der Oxyfuelmotor arbeitet zur besseren Effizienz bei der Verbrennung mit Drücken oberhalb von 100 bar. Das für einen Verbrennungstakt benötigte O₂ füllt durch die erforderliche hohe Verdichtung des O₂ nur einen geringen Teil des Zylindervolumens (ca. 0,5%). Daher ist das Zeitintervall für das Zuführen des O₂ in die Zylinder sehr kurz. Abhängig von der Kolbengeschwindigkeit ergibt sich ein Zeitintervall von wenigen Millisekunden für die Öffnung der O₂-Einlassventile.

2. Nach Schließen der O₂-Einlassventile erfolgt die Injektion des Brennstoffs mit einer oder mehreren Einspritzdüsen. Mit der Injektion des Brennstoffs kommt es zur Selbstzündung, da die Temperatur im Zylinder über der Zündtemperatur von Kohlenwasserstoffen liegt. Bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff beträgt die Zündtemperatur auch bei verdichtetem Diesel maximal 400 °C.

3. Parallel mit der Brennstoffinjektion wird H₂O mit einer oder mehreren Einspritzdüsen injiziert. Dabei wird das H₂O vor der Injektion im Hydro-Recuperator durch Wärmeübertragung aus dem Abgas erhitzt. Bei der Erwärmung des H₂O muss vermieden werden, dass das H₂O siedet. Siedendes H₂O ließe sich wegen der unterschiedlichen Dichte der Gasphase und der flüssigen Phase und der inhomogenen Flüssig/Gasförmig-Verteilung nicht hinreichend genau dosieren. Beim Oxyfuelmotor mit Recuperatoren wird daher das H₂O auf einen überkritischen Druck von mindesten 221 bar zu verdichten. Wenn das H₂O dann über die kritische Temperatur von 374 °C erwärmt wird, erfolgt der Übergang zum überkritischen Fluid ohne Phasenübergang.

4. Nach der Oxidation des Brennstoffs bilden die Oxidationsprodukte und das injizierte H₂O ein heißes Gasgemisch im Zylinder das expandiert und mechanische Arbeit am Kolben verrichtet. Die Temperatur des heißen Gasgemischs wird durch die Temperaturfestigkeit der Motorwerkstoffe begrenzt und liegt bei aktuell verfügbaren Motorwerkstoffen bei ca. 2.000 °C. Der 1. Takt des Oxyfuelmotors endet mit dem Erreichen des unteren Totpunktes.

Zweiter Takt des Oxyfuelmotors

1. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt wieder verlässt, wird im 2. Takt des Oxyfuelmotors mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens das Gasgemisch als Abgas aus dem Zylinder geschoben.

Zur Verbesserung des Motorwirkungsgrades wird der dem Oxyfuelmotor zugeführte Sauerstoff und das zugeführte Wasser in Recuperatoren mit der Abgaswärme des Motors erwärmt.

Schema eines Kraftwerks mit Oxyfuelmotor, Recuperatoren und CO₂-Abscheidung

Die Zeiten für die Öffnung des O₂-Einlassventils und für die Injektion des Brennstoffs und des H₂O sind sehr klein. Abhängig von der Motordrehzahl beträgt die Zeit jeweils nur wenige Millisekunden. Dabei müssen Taktung und Dauer der Injektionen exakt stimmen.

Diese Anforderungen lassen sich mit einer elektronischen Motorsteuerung in Verbindung mit der Common-Rail-Technik erfüllen, die auch bei konventionellen Dieselmotoren für die Brennstoffeinspritzung eingesetzt wird. Der Begriff Common-Rail stammt aus dem englischen und bedeutet, dass alle Zylinder eines Motors aus einem gemeinsamen Verteilerrohr versorgt werden. Die Ausführung der Ventile erfolgt bei der Common-Rail-Technik sowohl mit Magnetventilen und bei höheren Anforderungen können auch Piezo-Aktoren eingesetzt werden, die mit noch kleineren Zeitintervallen arbeiten können.

Die Auslassventile des Oxyfuelmotors können ebenfalls mit der elektronischen Motorsteuerung angesteuert werden. Alternativ, da im Oxyfuelmotor im Vergleich mit klassischen Verbrennungsmotoren keine erhöhten Anforderungen an die Steuerung der Auslassventile bestehen, können die Auslassventile auch klassisch über eine Nockenwelle betätigt werden.

Energieeffizienz eines Kraftwerks mit Oxyfuelmotor und Recuperatoren

Die wichtigsten Ergebnisse eines Berechnungsbeispiels für das Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit Oxyfuelmotor, Recuperatoren, CO₂-Abscheidung und O₂ aus Elektrolyse und sind nachfolgend zusammengestellt:

Der Energieinput für das Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit Oxyfuelmotor und Recuperatoren setzt sich zusammen aus

dem Brennstoff energetisch bewertet mit dem Heizwert Hs 100%
und der erforderlichen elektrischen Energie für die O₂-Verflüssigung als % von Hs 5,5%

Für die Berechnung der Effizienz des Oxyfuelmotors mit Recuperatoren wurden folgende Parameter zugrunde gelegt:

Verwendeter Brennstoff Gasöl (Diesel)

Druck der Umgebung p1 1 bar

maximaler Druck im Zylinder p2 100 bar

Verbrennungstemperatur t3 2.000 °C

Motoraustrittstemperatur t4 800 °C

Recuperator-Austrittstemperatur t5 100 °C

Innerer Motorwirkungsgrad η i,M 90,00%

Wirkungsgrad Generator ηG 98,00%

Auf Basis dieser Parameter errechnen sich für das Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit Oxyfuelmotor und Recuperatoren die nachfolgend zusammengestellten Wirkungsgrade, jeweils bezogen auf den Brennwert Hs des eingesetzten Brennstoffs:

Isentroper Wirkungsgrad des Oxyfuelmotors 63,0%

Wirkungsgrad unter Berücksichtigung der inneren Verluste des Motors 56,7%

elektrischer Wirkungsgrad unter Berücksichtigung der Generatorverluste 55,6%

Von diesem elektrischen Wirkungsgrad muss zur Berechnung der Netzeinspeisung der Energieaufwand für die Pumpen, die CO₂-Verdichtung und die CO₂-Verflüssigung abgezogen werden:

Energiebedarf Pumpen -0,7%

Energiebedarf Abgas-Verdichtung -2,0%

Energiebedarf CO₂-Verflüssigung + Kondensation brutto -2,8%

abzgl. Kältenutzung der O₂-Erhitzung 2,1%

Energiebedarf CO₂-Verflüssigung + Kondensation netto -0,7%

Wirkungsgrad der Netzeinspeisung des Oxyfuelmotors 52,2%

Ergänzend lässt sich die Wärme mehrerer Schritte nutzen, bevorzugt für Heizzwecke im Gebäudesektor:

Q6 die Abgaswärme des Oxyfuelmotors 37%

Q5 die Wärme aus der Abgas-Verdichtung 2%

Q2 die Verflüssigungswärme der Kompressionskälte a 2%

Wärmenutzung Oxyfuelmotor gesamt 41%

Zusätzlich lässt sich die Wärme aus dem Elektroenergieeinsatz für die O₂-Verflüssigung nutzen

Q3 die N₂-Verdichterwärme 6%

Q4 die Verflüssigungswärme der Kompressionskälte b1%

Der Energiebedarf für O₂-Verflüssigung ist nicht von der elektrischen Leistung des Oxyfuelmotors mit Recuperatoren abgezogen worden, da zum Zeitpunkt der O₂-Verflüssigung der Oxyfuelmotor nicht in Betrieb ist. Die elektrische Leistung für die O₂-Verflüssigung muss durch die gleiche Quelle wie die elektrische Leistung für den Elektrolyseur bereitgestellt werden, bevorzugt durch Überschussstrom aus Erneuerbaren.

Die Bewertung des Ergebnisses der Beispielrechnung ergibt, dass das Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit Oxyfuelmotor und Recuperatoren eine deutlich bessere Energieeffizienz als konventionelle Kraftwerksverfahren und konventionelle Verfahren der Kraft-Wärme-Koppelung aufweist.