Oxyfuels – Energielösungen für schwer elektrifizierbare Sektoren

Hintergrund von Rufats Arbeit im Energy and Conversion (ESC) Lab des Energie-Innovationszentrums Cottbus ist die steigende Nachfrage zu kohlenstoffneutralen Energielösungen und speziell nach Power-to-X-to-Power-Systemen. In solchen Systemen wird synthetisches Methan aus grünem Wasserstoff und abgeschiedenem CO₂ erzeugt und in Strom und Wärme umgewandelt wird, ohne CO₂ in die Atmosphäre zu emittieren.

In seiner Studie gibt Rufat einen Einblick in die Verbrennungseigenschaften der Oxy-Methan-Verbrennung in einem Einzylinder-Ottomotor. Insbesondere wird der Einfluss verschiedener Verdünnungsmengen und -zusammensetzungen von Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser auf den Zylinderdruck, die Zylindertemperatur, die Wärmefreisetzung und den verbrannten Massenanteil sowie auf die Konzentrationen von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Methan während des Arbeitszyklus untersucht.

An der Brandenburgischen Technischen Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg wird derzeit ein Power-to-X-to-Power (P2X2P)-Energiesystemdemonstrator entwickelt, um eine NO_x-freie Wärme- und Stromerzeugung in einem CO₂-neutralen geschlossenen Kreislauf zu realisieren. Im Sabatier-Reaktor wird synthetisches Methan aus grünem Wasserstoff und abgetrenntem CO₂ hergestellt, während grüner Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser gewonnen wird. Den Strom liefern hauptsächlich erneuerbare Energiequellen.

Die Umwandlung von synthetischem Methan in Strom durch den Oxyfuel-Verbrennungsprozess schließt den Kreislauf und ermöglicht die Abscheidung und Speicherung von CO₂ für die anschließende Methansynthese. Im Oxyfuel-Motor wird das CH₄/O₂-Gemisch durch CO₂ verdünnt, um die Verbrennungstemperatur zu steuern. Das benötigte CO₂ wird in einer nachgeschalteten Kühlfalle vom Wasser im Abgas getrennt und in die Gasmischstation zurückgeführt, wo es mit Methan und Sauerstoff vermischt wird.

Die Ergebnisse zeigen, dass ein CH₄/O₂/CO₂-Gemisch, wenn es zusammen mit Wasserdampf in den Motor eingeführt wird, die Verbrennungseigenschaften im Vergleich zum herkömmlichen Luftbetrieb verändert. Während die CO₂-Verdünnung den Spitzendruck und die Temperatur im Zylinder senkt, fördert eine Erhöhung des Wasserdampfanteils im gleichen Verdünnungsvolumen eine schnellere Flammenausbreitung und verringert Emissionen unverbrannter Bestandteile. Auch eine deutliche Reduktion der Kühlleistung konnte erreicht werden. Diese Ergebnisse werden anschließend auf dem Motorprüfstand an der BTU untersuchen und liefern einen wichtigen Beitrag zur Erforschung, breiten Nutzbarmachung und Kommerzialisierung von Oxyfuels – kohlenstoffarmen Energielösungen für die Dekarbonisierung von schwer zu elektrifizierenden Sektoren.

Ziel des Energy and Conversion (ESC) Labs ist die Abbildung der vier Ebenen für Sektor-gekoppelte Energiesysteme – Wärme, Strom, Speicherung und Mobilität – in einem CO₂-neutralen Kreislaufansatz, basierend auf grünem Wasserstoff.