Oxyfuelmotor
Im Oxyfuelmotor (aus Oxy für Oxygen (Sauerstoff) und fuel für Brennstoff) wird, im Gegensatz zu konventionellen Verbrennungsmotoren, der Brennstoff im Motor nicht mit Luft sondern mit reinem Sauerstoff verbrannt. Das Abgas besteht beim Oxyfuelmotor aus CO₂ und H₂O, ggf. mit Resten anderer Gase. Aus diesem CO₂ / H₂O-Abgasgemisch lässt sich das CO₂ durch Kondensation des H₂O leicht abtrennen.
Der Oxyfuelmotor 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.
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 verdichtet. 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
5. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt wieder verlässt, wird im 2. Takt des Oxyfuelmotors mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens das Gasgemisch als Abgasaus dem Zylinder geschoben. Beim Erreichen des oberen Totpunkts beginnt der nächste 1. Takt des Oxyfuelmotors.
Energieeffizienz eines Kraftwerks mit Oxyfuelmotor und Recuperatoren
Die wichtigsten Ergebnisse einer Prognoseberechnung für einen Oxyfuelmotor mit Recuperatoren sind nachfolgend zusammengestellt:
Der Energieinput setzt sich zusammen aus
Der Energieeffizienzberechnung wurden folgende Parameter zugrunde gelegt:
Auf Basis dieser Parameter errechnen sich den Oxyfuelmotor und Recuperatoren folgende Wirkungsgrade, jeweils bezogen auf den Brennwert Hs des eingesetzten Brennstoffs:
Energieeffizienz eines Kraftwerks mit Oxyfuelmotor und Recuperatoren
Die wichtigsten Ergebnisse einer Prognoseberechnung für einen Oxyfuelmotor mit Recuperatoren sind nachfolgend zusammengestellt:
Der Energieinput setzt sich zusammen aus
- dem Brennstoff bewertet mit dem Brennwert Hs 100%
- und der erforderlichen elektrischen Energie für die Verflüssigung des O₂ aus dem Elektrolyseur als % von Hs 5,5%
Der Energieeffizienzberechnung wurden folgende Parameter zugrunde gelegt:
Verwendeter Brennstoff Gasöl (Diesel)
Druck der Umgebung 1 bar
maximaler Druck im Zylinder. 100 bar
Verbrennungstemperatur 2.000 °C
Motoraustrittstemperatur. 800 °C
Recuperator-Austrittstemperatur 100 °C
Innerer Motorwirkungsgrad. 90,00%
Wirkungsgrad Generator 98,00%
Auf Basis dieser Parameter errechnen sich den Oxyfuelmotor und Recuperatoren folgende 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 wird zur Berechnung der Netzeinspeisung der Energieaufwand für die Pumpen, die CO₂-Verdichtung und die CO₂-Verflüssigung abgezogen:
Die Ergebnisse der Prognoserechnung zeigen, dass der Oxyfuelmotor mit Recuperatoren eine deutlich bessere Energieeffizienz als konventionelle Verbrennungsmotore aufweist, neben der Vermeidung der CO₂-Emission ein doppelter Vorteil.
Kirchner Energietechnik hofft, baldmöglichst einen Kooperationspartner aus dem Motorenbau zu finden, um diese theoretisch ermittelte Effizienz im Praxistest zu bestätigen. Sollten wir Ihr Interesse geweckt haben, nehmen Sie gern Kontakt zu uns auf!