Projekt PHOENIX – Leistungsstarker Wasserstoffmotor für die industrielle Anwendung

19.11.2024

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Gegenstand des Projektes ist die Entwicklung eines Motorkonzepts und der zugehörigen Komponenten für den effizienten Antrieb eines Blockheizkraftwerks im 100%-Wasserstoffbetrieb. Ziel ist, bisher fossil betriebene Anlagen mit gleicher elektrischer Leistung und Wärmeproduktion CO₂-neutral zu betreiben. Derartige Anlagen können die Energiewende befördern, da sie schnell, dezentral und ggf. temporär an den im Energienetz notwendigen Einspeisepunkten aufgebaut werden können. Wetterbedingte Schwankungen erneuerbarer Energien können mit dieser Technologie adressiert werden.

Um einen stabilen und sicheren Motorbetrieb zu gewährleisten und den gleichen Wirkungsgrad wie in fossil befeuerten Antrieben zu erreichen, müssen sogenannte Verbrennungsanomalien vermieden werden. Im Rahmen des Projektes soll unter anderem ein Schmierstoff für Wasserstoffmotoren dahingehend optimiert werden, dass Vorentflammungen vermieden werden. Der Schmierstoff soll zudem eine gute Schmierung und einen guten Schutz gegen Verschleiß in der heißen Wasserstoffatmosphäre sicherstellen.

Um den Einfluss von verschiedenen Schmierstoffen und von potenziell katalytischen Oberflächen auf die Vorentflammung im Wasserstoffmotor systematisch zu untersuchen, wird ein Versuchsstand mit druckfesten Autoklaven eingesetzt. Dieser ermöglicht Untersuchungen zum Zündverhalten in der Wasserstoffatmosphäre unter motorähnlichen Bedingungen. Die Schmierstoffe werden neben ihrer Neigung zur Vorentflammung in tribologischen Tests auf ihre Eigenschaften bezüglich Reibungsminderung, Verschleißschutz und Wasserstoffaufnahme untersucht.

Partner:
Rolls-Royce Solutions GmbH
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
FUCHS Lubricants GERMANY GmbH
MAHLE Industriemotoren-Komponenten GmbH
Technische Universität München, Lehrstuhl für Nachhaltige Mobile Antriebssysteme
Assoziierter Partner:
Bosch-Geschäftsbereich Large Engine
Zuwendungsgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH

Effiziente Gasmotoren können im Vergleich zu Gasturbinen sehr schnell hochfahren und in verschiedenen Lastbereichen operieren. Daher sind sie beim Einsatz in flexiblen dezentralen Gaskraftwerken sehr gut geeignet, um Schwankungen aus Sonnen- und Windenergie auszugleichen. Wenn sie mit grünem Wasserstoff betrieben werden, sind sie somit ein Baustein, um die Energiewende zu beschleunigen.

Im Projekt PHOENIX (Performance Hydrogen Engine for Industrial and X) wird ein Konzept für einen leistungsstarken Wasserstoffmotor inklusive der zugehörigen Komponenten für den Einsatz in industriellen Anwendungen zur stationären Energieversorgung entwickelt. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit einer Gesamtsumme von fast fünf Millionen Euro gefördert.

Um verschiedene Aspekte des Wasserstoffmotors bestmöglich zu beleuchten, wird das Projekt von einem Konsortium aus hochspezialisierten Unternehmen und wissenschaftlichen Institutionen bearbeitet. Die Verbundpartner entwickeln die notwendigen Komponenten wie das Einblasesystem, die Kolbengruppe und das Zündsystem sowie einen speziell für die Verbrennung von Wasserstoff optimierten Schmierstoff. Die BAM bringt in das Projekt PHOENIX ihre langjährige Expertise auf den Gebieten Wasserstoffsicherheit und Tribologie ein.

Schmierstoffentwicklung für den Wasserstoffmotor

Das Teilvorhaben der BAM „Einfluss von Schmierstoffen auf die Entflammung von Wasserstoff-Luft-Gemischen sowie deren tribologische Charakterisierung“ zielt darauf ab, Methoden zur Qualifizierung von geeigneten Schmierstoffen für Wasserstoffmotoren zu entwickeln und anzuwenden.

Aufgrund der niedrigen Zündenergie des Wasserstoffs in Kombination mit seinem weiten Explosionsbereich ist die Neigung zur Vorentflammung im Wasserstoffmotor bei einem Schmierstoffeintrag höher als in Erdgasmotoren. Die Vorentflammung kann zu hohen Druckspitzen im Motor und zu instabilen Betriebszuständen führen, die im schlimmsten Fall sogar irreparable Motorschäden zur Folge haben können. In enger Zusammenarbeit mit den Konsortialpartnern werden im Projekt Schmierstoffformulierungen entwickelt, die sich durch eine möglichst hohe Stabilität gegen Vorentflammung auszeichnen. Um den Bedarf an aufwändigen Versuchen am Motorprüfstand zu reduzieren, entwickelt die BAM ein vereinfachtes Prüfverfahren für die Untersuchung des Zündverhaltens verschiedener Schmierstoffe in der Wasserstoffatmosphäre unter motorischen Bedingungen. Dazu wird ein Versuchsstand mit druckfesten Autoklaven aufgebaut und eingesetzt. Die Ergebnisse werden am Motorprüfstand der Projektpartner validiert und das Prüfverfahren bei Bedarf optimiert.

Darüber hinaus wird der mögliche Einfluss von katalytisch wirkenden Oberflächen auf die Vorentflammung untersucht. Hierfür werden in einem modifizierten Autoklavenversuchsstand Oberflächen verschiedener in Wasserstoffmotoren eingesetzter Materialien bzgl. ihrer katalytischen Eigenschaften getestet. Anschließend wird ihre Eignung für den Einsatz im Wasserstoffmotor beurteilt.

Der Schmierstoff soll außerdem eine ausreichende Verträglichkeit gegen Wassereintrag aus der Wasserstoffverbrennung aufweisen, den Wasserstoffeintrag in die Werkstoffe und den Verschleiß minimieren sowie für eine gute Schmierung sorgen. Dazu werden die tribologischen Eigenschaften des Schmierstoffs in speziellen Testeinrichtungen charakterisiert. An der BAM wird ein neuer Prüfstand aufgebaut, an dem die tribologischen Eigenschaften der Schmierstoffe direkt in Wasserstoffatmosphäre unter motornahen Bedingungen untersucht werden können.

Projektleitung

Rolls-Royce Solutions GmbH

Projektpartner

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM): Fachbereich 2.1 und Fachbereich 9.5
FUCHS Lubricants GERMANY GmbH
MAHLE Industriemotoren-Komponenten GmbH
Technische Universität München, Lehrstuhl für Nachhaltige Mobile Antriebssysteme

Assoziierter Projektpartner
Bosch-Geschäftsbereich Large Engine

Förderung

Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im 7. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung im Förderbereich Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien.