Waste2HyEngine-Projektablaufschema. Erprobt wird der Weg von der Pyrolyse biogener Reststoffe bis hin zur Wasserstoffnutzung in stationären und mobilen Anwendungen. (Quelle: Fraunhofer UMSICHT)
Brennstoffzellen sind auf hochreinen Wasserstoff angewiesen. Die dafür notwendige Wasserstofferzeugung geht mit hohem technischen und finanziellen Aufwand einher. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt geförderten Projekts „Waste2HyEngine“ ging es darum, für dezentrale Anwendungen, insbesondere abseits vom geplanten Wasserstoff-Kernnetz, z. B. in der Landwirtschaft oder der Bauwirtschaft wirtschaftliche Lösungen zu erproben. Dort bietet sich die Nutzung robuster Dieselmotoren an, die in den Branchen etabliert sind und mit überschaubarem Aufwand auf Wasserstoff-Verbrennungsmotoren umgerüstet werden können. Dazu haben die Projektpartner Fraunhofer UMSICHT, Fraunhofer IKTS, Hochschule Heilbronn und DEUTZ AG die Prozesskette von der Reststoff-Konversion über die Gastrennung bis zur Anwendung im stationär betriebenen Motor im Technikumsmaßstab erprobt.
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 laut Auskunft der Projektpartner vielversprechend: Der Motor läuft selbst bei sich ändernden Wasserstoffanteilen von 40 bis 100 Vol.-% im Gas ruhig und stabil.
Zwei Nutzungsszenarien
Daraus ergeben sich zwei neue Nutzungsszenarien: die direkte Nutzung am Anfallort sowie die Aufkonzentrierung des Gases für mobile Anwendungen und den Transport.
Dort, wo ein hoher Anteil Reststoffe anfällt (genannt werden Kompostwerke, Bioabfall-Verwertungsanlagen, Mühlen oder Sägewerke), kann das über Pyrolyse gewonnene Gas ohne weitere Aufkonzentrierung des Wasserstoffanteils direkt als umweltfreundlicher Brennstoff bspw. in Blockheizkraftwerken verwendet werden. Dort bleibt jedoch eine vorgeschaltete Gasreinigung nötig. Teere, Stäube und Schwefelverbindungen müssen abgetrennt werden, um den Motor zu schützen. Der Aufwand ist dabei deutlich geringer als bei der Aufbereitung des Gases für eine Verwendung in Brennstoffzellen.
Im zweiten Nutzungsszenario des wasserstoffreichen Gases für mobile Anwendungen ist die Aufkonzentrierung ebenfalls nicht nötig. Im Rahmen des Projekts wurden hierfür von 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.
Neue Rohstoffe bei niedrigeren Reinheitsanforderungen
Das Forschungsvorhaben verbindet zwei Vorteile. Zum einen erforscht das Projekt die Möglichkeiten von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren, die weniger empfindlich auf Verunreinigungen reagieren als Brennstoffzellen. Zum anderen zeigt es, dass zahlreiche biogene Reststoffe als Wasserstoffquellen zur Verfügung stehen, die bislang nicht genutzt werden. Genannt werden Gärreste aus Biogasanlagen, Grünschnitt, Klärschlamm oder kommunale Bioabfälle. Diese regional anfallenden Stoffströme werden bisher überwiegend geringwertig verwertet, weil eine Aufbereitung zu hochreinem Wasserstoff wirtschaftlich nicht darstellbar ist. Mit den hier skizzierten Anwendungsfällen wird das möglich.
Während in der ersten Projektphase systematisch die Toleranzgrenzen des Wasserstoffmotors hinsichtlich der Gaszusammensetzung bestimmt wurden, erprobte Fraunhofer UMSICHT in der zweiten Projektphase die gesamte Prozesskette vom realen, aus Reststoffen gewonnenen Pyrolysegas bis zu dessen Verstromung im neu entwickelten Gasmotor.
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.
Weitere Informationen: www.umsicht-suro.fraunhofer.de/