Potenzialanalyse und Erstauslegung eines Gegenkolbensystems zur Nutzung von Biosynthesegas

Kurzfassung

Das Ziel dieser Arbeit ist Erstellung eines ersten Entwurfs von dem Brennraum eines Gegenkolbensystems mit einer anschließenden Simulation der Produktgasverbrennung. Ein weiteres Ziel ist die Durchf¨uhrung einer Potenzialanalyse des Gegenkolbensystems mit Verwendung der Simulationsergebnisse. Für die Erstauslegung des Brennraumes werden Berechnungen zu dem Luftbedarf und der Gemischdichte des Produktgases mit Luft durchgeführt. Weiterhin soll der Produktgasmassenstrom als Grundlage für die Erstauslegung verwendet werden. Für die anschließende Potenzialanalyse wird eine 0D-Simulation in Python mit Cantera erstellt und mit Versuchsdaten verglichen. Die Ergebnisse der ausgelegten und simulierten Brennraumgeometrie werden dann f¨ur die technologische Bewertung des Gegenkolbensystems zusammen mit zwei weiteren Technologien verwendet. Der Brennraum des Gegenkolbensystems wurde auf Basis von Messungen eines Biosynthesegases ausgelegt und untersucht. Für die Untersuchung konnte eine 0D-Simulation des Gegenkolbensystems in Cantera erstellt und getestet werden. Der Vergleich mit Messdaten eines bestehenden Motors zeigte dabei Schwächen der Simulation. Die Schwächen zeigten sich in einem zu hohen Druck während des Ladungswechsels sowie einem sehr schnellen Brennverlauf durch hohe Druck -und Temperaturspitzen. Mit den Erkenntnissen über die Schwachstellen erfolgte im Anschluss die Simulation für die Produktgasverbrennung einer Strohvergasungsanlage in dem ausgelegten Gegenkolbensystem. Mit den Simulationsergebnissen und der Nutzung von identifizierten Verbesserungspotenzialen wurde der elektrische Wirkungsgrad ηelektrisch = 27,9 % f¨ur das Gegenkolbensystem berechnet. Als sehr wichtiges Kriterium konnte dabei ein hoher Fanggrad des Brennstoff-Luft-Gemischs beim Ladungswechsel erkannt werden. Die Simulation zeigte eine Einhaltung der Emissionsgrenzwerte von den Verbrennungsprodukten. Für die Potenzialanalyse wurde eine technologische Bewertung des Gegenkolbensystems zusammen mit einer Gasturbine mit FLOX®-Brennkammer und einem BHKW mit Kurbelwellenmotor durchgeführt. Die technologische Bewertung zeigte eine sehr gute Wertigkeit des Gegenkolbensystems. Im Vergleich mit den anderen Tech- nologien konnte die hohe Wertigkeit des Gegenkolbensystems durch das variable Verdichtungsverhältnis und die Frequenzanpassung an verschiedene Massenströme begründet werden.