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.
Das Verbundprojekt Waste2HyEngine hat eine durchgängige Verfahrenskette entwickelt, die aus biogenen Reststoffen wasserstoffreiches Gas erzeugt und dieses in einem für den Wasserstoffbetrieb umgerüsteten Dieselmotor nutzt. Das teilte das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) anlässlich des Projektabschlusses mit. Beteiligt waren neben Fraunhofer UMSICHT auch das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), die Hochschule Heilbronn sowie die Deutz AG.
Kern des Ansatzes ist die thermochemische Umwandlung biogener Reststoffe – etwa durch Pyrolyse – zu einem wasserstoffreichen Synthesegas. Dieses Gas wird direkt in einem stationären Verbrennungsmotor eingesetzt. Nach Angaben der Projektpartner läuft der Motor auch bei schwankenden Wasserstoffanteilen zwischen 40 und 100 Volumenprozent stabil. Als Versuchsmotor diente ein 4-Zylinder-Dieselmotor der Deutz AG, der an der Hochschule Heilbronn umgerüstet wurde. Ein mechanisch gesteuertes Gaseinblasesystem der Hochschule bildet dabei eine Schlüsselkomponente.
Zwei Nutzungspfade im Fokus
Die Projektpartner haben zwei Nutzungsszenarien untersucht. Für die stationäre Anwendung in Blockheizkraftwerken (BHKW) ist nach ihren Angaben keine weitere Aufkonzentrierung des Wasserstoffs im Pyrolysegas nötig. Als Einsatzorte nennt Fraunhofer UMSICHT Kompostwerke, Bioabfall-Verwertungsanlagen, Mühlen oder Sägewerke. Eine vorgeschaltete Gasreinigung zur Abtrennung von Teeren, Stäuben und Schwefelverbindungen bleibt erforderlich, der Aufbereitungsaufwand ist laut den Forschenden jedoch deutlich geringer als bei einer brennstoffzellentauglichen Gasqualität.
Für mobile Anwendungen in Traktoren oder Baumaschinen ist eine Aufkonzentrierung des Wasserstoffs sinnvoll. Fraunhofer UMSICHT und das Fraunhofer IKTS haben hierfür verschiedene Membranverfahren entwickelt und getestet. Dabei wurde nach eigenen Angaben bislang ein Wasserstoffanteil von 90 Volumenprozent erreicht. Perspektivisch sollen daraus dezentrale Betankungslösungen für umgerüstete Land- und Baumaschinen entstehen. Dies setze allerdings auch Fortschritte bei Bordspeichern, Sicherheitstechnik und Genehmigung voraus, so die Projektpartner.
Geringere Reinheitsanforderungen erschließen neue Rohstoffe
Ein besonderer Vorteil des Ansatzes liegt nach Darstellung der Forscher in der Toleranz von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gegenüber Begleit- und Inertgasen wie Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder Methan. Brennstoffzellen reagieren dagegen bereits auf Spurenverunreinigungen im ppm-Bereich empfindlich. Dadurch würden Stoffströme wie Gärreste aus Biogasanlagen, Grünschnitt, Klärschlamm oder kommunale Bioabfälle erstmals als Wasserstoffquelle nutzbar.
„Wir verbinden die thermochemische Konversion von Reststoffen mit der motorischen Wasserstoffnutzung zu einer durchgängigen Verfahrenskette“, erläutert 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.“
Karsten Wittek, Leiter des Labors für Kolbenmaschinen an der Hochschule Heilbronn, hebt die technische Umsetzbarkeit hervor: Das Gaseinblasesystem „ermöglicht eine präzise Gasmengendosierung auch bei extrem schwankenden Gaszusammensetzungen und kann praktisch in jeden Dieselmotor eingebaut werden“.
Georg Töpfer von der Deutz AG verweist auf den Nutzen für Anwenderbranchen: „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.“
Potenzial für CO2-negative Energiebereitstellung
Da das Gas biogenen Ursprungs ist, wäre die Energiebereitstellung nach Projektangaben bilanziell nahezu klimaneutral. Zusätzlich entsteht bei der thermochemischen Konversion ein kohlenstoffhaltiges Karbonisat. Wird dieses dauerhaft gespeichert, etwa als Pflanzenkohle im Boden, könne das Gesamtverfahren bilanziell CO2-negativ wirken, so Fraunhofer UMSICHT. Die Nutzung von biogenem Wasserstoff im Verkehrssektor ist in Deutschland über die 37. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) auf die Treibhausgasquote (THG-Quote) anrechenbar.
Waste2HyEngine ist ein vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördertes Verbundvorhaben mit einem Gesamtbudget von 3,3 Millionen Euro. Die Laufzeit erstreckte sich von März 2024 bis September 2026. Projektträger ist der Projektträger Jülich (PtJ).
