Wasserstoff aus Reststoffen für stationäre und mobile Motoren
Geringere Reinheitsanforderungen erschließen Gärreste und Klärschlamm als Wasserstoffquelle
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Das BMFTR-geförderte Projekt Waste2HyEngine hat eine Verfahrenskette entwickelt, um aus biogenen Reststoffen wasserstoffreiches Gas zu erzeugen. Dieses wird in einem umgerüsteten Dieselmotor mit 40 bis 100 Vol.-% Wasserstoff eingesetzt. Seine geringeren Reinheitsanforderungen gegenüber Brennstoffzellen ermöglichen kostengünstige H2-Quellen aus Reststoffen. Möglich sind die direkte Verstromung im BHKW oder die H2-Aufkonzentrierung für mobile Anwendungen. Fraunhofer UMSICHT, Fraunhofer IKTS, Hochschule Heilbronn und DEUTZ AG erprobten die Prozesskette im Technikumsmaßstab.
Die Dekarbonisierung stationärer und mobiler Energiesysteme erfordert neue Wege der Wasserstofferzeugung und -nutzung. Die Bereitstellung von elektrolytisch erzeugtem, hochreinem Wasserstoff (99,999 Prozent) für Brennstoffzellen entspricht dem Stand der Technik, ist jedoch mit hohem technischem und finanziellem Aufwand verbunden. Insbesondere für dezentrale Anwendungen, abseits vom geplanten Wasserstoff-Kernnetz, z. B. in der Landwirtschaft oder der Bauwirtschaft fehlen bislang wirtschaftliche Lösungen. Gleichzeitig sind in diesen Branchen robuste Dieselmotoren etabliert, die mit überschaubarem Aufwand auf Wasserstoff-Verbrennungsmotoren umgerüstet werden können.
Im Projekt Waste2HyEngine verfolgen die Fraunhofer-Institute UMSICHT und IKTS, die Hochschule Heilbronn und die DEUTZ AG einen Ansatz, der auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten ist: Mittels thermochemischer Wandlungsverfahren wie Pyrolyse werden biogene Reststoffe zu einem wasserstoffreichen Synthesegas umgesetzt. Dieses Gas wird auf einem umgerüsteten stationären Wasserstoff-Verbrennungsmotor im kontinuierlichen Betrieb getestet. Im Fokus steht das Motorlaufverhalten bei unterschiedlichen Gaszusammensetzungen. Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend: Der Motor läuft selbst bei sich ändernden Wasserstoffanteilen von 40 bis 100 Vol.-% im Gas ruhig und stabil. Daraus eröffnen sich zwei neue Nutzungsszenarien.
Pfad 1: Direkte Nutzung am Anfallort
Für die rein motorische Nutzung in stationären Anlagen ist eine weitere Aufkonzentrierung des Wasserstoffanteils im Pyrolysegas technisch nicht erforderlich. An Orten mit hohem Reststoffanfall – etwa Kompostwerken, Bioabfall-Verwertungsanlagen, Mühlen oder Sägewerken – steht damit ohne zusätzliche Aufkonzentration des Wasserstoffanteils eine kostengünstige, umweltfreundliche Brennstoffquelle für Blockheizkraftwerke zur Verfügung, die Strom und Wärme für den eigenen Betrieb bereitstellt. Eine vorgeschaltete Gasreinigung zur Abtrennung von Teeren, Stäuben und Schwefelverbindungen bleibt weiterhin erforderlich, um den Motor dauerhaft zu schützen – der Aufbereitungsaufwand ist jedoch deutlich geringer als bei der Erzeugung einer brennstoffzellentauglichen Gasqualität.
Pfad 2: Aufkonzentrierung für mobile Anwendungen und Transport
Soll das wasserstoffreiche Gas für mobile Anwendungen in Traktoren oder Baumaschinen bereitgestellt werden, ist eine Aufkonzentrierung des Wasserstoffs sinnvoll. Im Rahmen des Projekts wurden hierfür von den Projektpartnern Fraunhofer UMSICHT und IKTS unterschiedliche Membranverfahren entwickelt und getestet. Bislang konnte ein Wasserstoffanteil von 90 Vol.-% erreicht werden. Das erhöht die massenbezogene Energiedichte, und vereinfacht die anschließende Wasserstofflogistik hinsichtlich Transport und Speicherung. Perspektivisch könnten so dezentrale Betankungslösungen für Land- und Baumaschinen entstehen, deren Motoren auf Wasserstoffbetrieb umgerüstet sind – ein Pfad, der neben der Gasqualität allerdings auch Fortschritte bei Bordspeichern, Sicherheitstechnik und Genehmigung voraussetzt.
Niedrigere Reinheitsanforderung erschließt neue Rohstoffe
Das Forschungsvorhaben koppelt zwei Vorteile. Wasserstoff-Verbrennungsmotoren arbeiten auch mit Anteilen an Begleit- und Inertgasen wie Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder Methan zuverlässig – im Unterschied zu Brennstoffzellen, deren Katalysatoren bereits auf Spurenverunreinigungen im ppm-Bereich empfindlich reagieren. Gleichzeitig steht eine Vielzahl biogener Reststoffe zur Verfügung, die bislang nicht als Wasserstoffquelle genutzt werden können, z.B. Gärreste aus Biogasanlagen, Grünschnitt, Klärschlamm oder kommunale Bioabfälle. Diese Stoffströme fallen regional an und werden heute überwiegend geringwertig verwertet; eine Aufbereitung zu hochreinem Wasserstoff ist wirtschaftlich nicht darstellbar. Durch die niedrigeren Anforderungen des modifizierten Motors an die Gasqualität werden sie erstmals als stationäre oder mobile Wasserstoffquelle nutzbar.
»Wir verbinden die thermochemische Konversion von Reststoffen mit der motorischen Wasserstoffnutzung zu einer durchgängigen Verfahrenskette«, erläutert Dr.-Ing. Christopher Graf-Kick, Projektkoordinator am Fraunhofer UMSICHT. »Der Schlüssel liegt in der Flexibilität des Motors gegenüber der Zusammensetzung des Gasgemisches: Das erschließt Reststoffe, die für Wasserstoff bisher nicht in Frage kamen. Die weitere Aufkonzentration, zum Beispiel über neuartige Membrantechnologien, ist ebenfalls vielversprechend. Sie ermöglicht Anwendungen in der Mobilität oder Wasserstofflogistik.«
In der ersten Projektphase wurden die Toleranzgrenzen eines Wasserstoffmotors hinsichtlich der Gaszusammensetzung systematisch bestimmt. Auf dem Motorenprüfstand an der Hochschule Heilbronn wurden dazu unterschiedliche Gasmischungen nachgestellt und im Motor getestet. Der Versuchsmotor basiert auf einem von der DEUTZ AG produzierten 4-Zylinder-Dieselmotor. Bei der Umrüstung auf Wasserstoffbetrieb stellt das neue mechanisch gesteuerte Gaseinblasesystem der Hochschule Heilbronn eine Schlüsselkomponente dar. »Es ermöglicht eine präzise Gasmengendosierung auch bei extrem schwankenden Gaszusammensetzungen und kann praktisch in jeden Dieselmotor eingebaut werden«, erklärt Professor Karsten Wittek, Leiter des Labors für Kolbenmaschinen an der Hochschule Heilbronn.
In der zweiten Projektphase wurde die gesamte Prozesskette mit realem, aus Reststoffen gewonnenem Pyrolyse-Gas und Verstromung in dem neu entwickelten Gasmotor bei Fraunhofer UMSICHT erprobt.
Dr.-Ing. Georg Töpfer, von der DEUTZ AG sagt: »DEUTZ bietet seit vielen Jahren zuverlässige Antriebslösungen für die Landwirtschaft und die Bauwirtschaft. Mit der Möglichkeit zur Umrüstung auf einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor eröffnen wir unseren Kunden einen Weg zur Dekarbonisierung. Wird der Wasserstoff aus regionalen Reststoffen gewonnen, können sie diesen Weg gehen, ohne auf den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur warten zu müssen.«
Stationäre Anwendung als Ausgangspunkt
Unmittelbares Entwicklungsziel des Projekts ist der Nachweis der Funktionsfähigkeit der Prozesskette für stationäre Blockheizkraftwerke. Perspektivisch adressiert die Technologie auch mobile Anwendungen. Da das Gas biogenen Ursprungs ist, wäre die Energiebereitstellung bilanziell nahezu klimaneutral. Darüber hinaus entsteht bei der thermochemischen Konversion ein kohlenstoffhaltiges Karbonisat. Wird dieses dauerhaft gespeichert, etwa als Pflanzenkohle im Boden, hat das Gesamtverfahren das Potenzial, in der Bilanz CO₂-negativ zu wirken. Die Nutzung von biogenem Wasserstoff im Verkehrssektor ist in Deutschland über die 37. BImSchV (Verordnung zur Anrechnung von strombasierten Kraftstoffen und mitverarbeiteten biogenen Rohstoffen) auf die Treibhausgasquote (THG-Quote) anrechenbar.
Waste2HyEngine ist ein vom BMFTR gefördertes Verbundvorhaben (Förderkennzeichen 03SF0754A) mit einem Gesamtbudget von 3,3 Mio. Euro und einer Laufzeit von März 2024 bis September 2026. Projektträger ist das PtJ (Projektträger Jülich).
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