Wie reduziert man effektiv den CH₄-Schlupf mit Hilfe von CFD-Simulationen?
Eine von vielen Brückentechnologien hin zur klimaneutralen Schifffahrt, ist die Nutzung von verflüssigtem Erdgas (Liquified Natural Gas, LNG) als Marinekraftstoff. Es bietet einen theoretischen Kohlenstoffdioxid (CO₂)–Emissionsvorteil von bis zu 25%. Allerdings besteht Erdgas zu einem hohen Anteil aus Methan (CH₄), dessen Treibhauspotential um Faktor 85 größer ist als CO₂. Daher ist die Reduktion von CH₄-Emissionen eine der wesentlichen Zielgrößen im Entwicklungsprozess moderner LNG Dual-Fuel Motoren ist. Aufgrund der komplexen Wirkzusammenhänge im Motor, sind Reduktionspotentiale oft nicht direkt ersichtlich. Hier können moderne Simulations- und Berechnungsansätze helfen und versteckte Potentiale aufzeigen. Wie ein solcher Lösungsansatz am Beispiel eines mittelschnelllaufenden Dual-Fuel Motors aussehen kann, erfahren Sie in diesem Blog-Post.
Welche CH₄-Reduktionspotentiale sind ohne bauliche Änderungen möglich?
Aktuelle LNG Dual-Fuel Konzepte basieren auf dem so genannten Diesel-Gas-Verfahren. Dabei wird das Flüssigerdgas in den Luftpfad vor dem Verbrennungsraum zugeführt wird und anschließend mit einer kleinen Menge eines Pilotkraftstoffes (z.B. Diesel) gezündet wird. Systembedingte Methanemissionen resultieren aus einer unvollständigen Verbrennung sowie aus dem so genannten „Überspülen“. Dabei strömt Methan aus dem Einlasskanal direkt in den Abgastrakt, ohne an der Verbrennung teilzunehmen. Dieser Effekt ist nicht beabsichtigt, resultiert jedoch aus den motorspezifischen Ventilsteuerzeiten, welche auf eine möglichst geringe Restgasmenge im Brennraum optimiert sind. Überspülverluste könnten also durch Anpassung der Ventilsteuerzeiten reduziert werden. Dies hat jedoch negative Auswirkungen auf die Verbrennungqualität und damit den Wirkungsgrad.
Anpassung der Gaseindüsung als zielführende Maßnahme
Durch die 3D-CFD Simulation sind wir in der Lage, den gesamten Dual-Fuel Arbeitsprozess dreidimensional von der Gaseindüsung bis zur Verbrennung nachzubilden. Das entwickelte motorische Gesamtmodell wurde akribisch mit experimentellen Daten unseres universitären Partners (LKV/Universität Rostock) verglichen und validiert. Darauf aufbauend konnte das FVTR Team durch Variation bestimmter motorischer Betriebsparameter die Potentiale zur Reduzierung der Methanemissionen quantifizieren. Als zielführend hat sich eine Reduktion der Gaseindüsedauer ergeben, welche in einer Reduktion der Methanvorlagerung im Luftpfad resultiert. Durch diese Maßnahme kann die Methan-Überspülung stark reduziert werden, das Problem wird also von seiner Ursache her angefasst. Als technische und praktische Umsetzungsmaßnahme wurde eine Erhöhung des Gasdrucks identifiziert, da dies zum gewünschten Effekt einer Reduktion der notwendigen Einblasedauer führt und mit den bestehenden Systemen realisiert werden kann.
Ergebnisse
Die CFD-Untersuchungen wurden für einen Volllastbetriebspunkt durchgeführt und ergaben ein Reduktionspotential der CH₄–Emissionen durch Überspülen von über 40 %, wohlgemerkt ohne Systemeingriff, sondern lediglich über Anpassung einer Betriebsgröße. In der Regel ist der Druck im Erdgassystem hoch genug, um die Maßnahme auch bei der aktuellen in Serie befindlichen Anlagen umzusetzen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss durch unseren universitären Partner (LKV/Universität Rostock) bestätigt. Experimentell ergab sich eine Reduktion von ca. 30 %. Eine Analyse anderer Lastpunkte ergab ein ähnliches Potential. Es wurden keine negativen Auswirkungen auf die Stickoxid (NOX)-Emissionen oder den Kraftstoffverbrauch festgestellt.
Aufgrund der hohen Treibhauspotentials von CH₄ ergibt sich umgerechnet als CO₂–Äquivalent ein Potential von ca. 10g CO₂/kWh. Das bedeutet, dass sich bei einer hypothetischen Antriebsleistung von 30 MW eine CO₂-Ersparnis von 300 kg ergibt … pro Stunde.
Fazit
Durch den konsequenten Einsatz von modernen Berechnungs- und Simulationsansätzen sind wir in der Lage, den motorischen Prozess bis ins kleinste Detail abzubilden und damit verstecke Optimierungspotentiale zu identifizieren.
Wenn Ihre Entwicklungsprojekte ebenfalls von unserem Knowhow profitieren sollen, kontaktieren Sie uns jederzeit.