Anpassung eines BHKW durch additiv gefertigte Komponenten für einen zukünftigen Wasserstoffbetrieb

Blockheizkraftwerke (BHKW) bieten insbesondere für mittelgroße bis große Immobilien wie Hotels, Mehrfamilienhäuser, Pflegeeinrichtungen oder ähnliche Gebäude eine effiziente Möglichkeit zur Beheizung. Denn BHKW können im Gegensatz zu zentralen Gas- oder Kohlekraftwerken die entstehende Wärmeenergie fast vollständig zum Heizen nutzen. Hierdurch können zwar Wirkungsgrade von über 90 Prozent erreicht werden – bei der Verbrennung von konventionellen Treibstoffen wie Erdgas oder Diesel entstehen jedoch Schadstoffe wie CO₂ oder Feinstaub. Um den Betrieb klimafreundlich zu gestalten, wollen die A-TRON Blockheizkraftwerke GmbH sowie die beiden Institute ITV und IPeG der Leibniz Universität in einem vom Land Niedersachsen geförderten Projekt die Nutzung von Wasserstoff in BHKW ermöglichen – und das langfristig und klimafreundlich.

Ein BHKW bietet eine Form der dezentralen Energieerzeugung, die sich insbesondere für mittelgroße und große Gebäude anbietet. Es besitzt einen Verbrennungsmotor, in dem ein Treibstoff verbrannt wird. Die hierbei entstehende Wärmeenergie kann fast vollständig zum Heizen genutzt werden, wodurch sich hohe Wirkungsgrade von über 90% erreichen lassen. Da momentan jedoch in der Regel fossile Treibstoffe wie Erdgas oder Diesel eingesetzt werden, entstehen bei der Verbrennung aktuell noch klimaschädliche Schadstoffe wie CO₂ oder auch Feinstaub. Um die effiziente Technologie in Zukunft klima- und umweltfreundlich nutzen zu können, wird im Rahmen des Projekts „Anpassung eines BHKW durch additiv gefertigte Komponenten für einen zukünftigen Wasserstoffbetrieb“ von den Projektpartnern A-TRON sowie dem Institut für Technische Verbrennung (ITV) und dem Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG) der Leibniz Universität Hannover untersucht, wie Wasserstoff als Treibstoff in BHKW verwendet werden kann. Dabei geht es nicht nur um die grundsätzliche Machbarkeit, sondern insbesondere darum, langfristig einsetzbare Wasserstoff-BHKW zu entwickeln.

Innovativer Ansatz soll den Wasserstoffbetrieb ermöglichen

Hierzu werden im Rahmen des Projekts zwei Ziele verfolgt: Im ersten Teilziel soll grundsätzlich der Betrieb eines BHKW mit Wasserstoff ermöglicht werden. „Zunächst geht es darum, die Machbarkeit einer Wasserstoff-Nutzung in BHKW zu zeigen. Da dies Änderungen der Technologie erfordert, wird im Rahmen des Projekts ein hochinnovativer Ansatz gewählt, der nicht nur die verbrennungstechnischen, sondern auch die thermischen Randbedingungen verbessert.“ So Professor Dinkelacker, geschäftsführender Leiter vom ITV, zu der Zielrichtung des Projekts.

Da Wasserstoff sehr zündfreudig ist, dürfen die verwendeten Bauteile nicht zu heiß werden. Ziel ist es daher, den Verbrennungsmotor mit geeigneten Komponenten und Bauteilen umzurüsten, die gut gekühlt werden können. Besonders kritisch ist hierbei der Zylinderkopf des Motors, der lokal heiße Bereiche aufweisen kann – was das Risiko einer ungewollten Zündung erhöht. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, muss zudem die Wärmegewinnung aus dem Abgas verbessert werden. Die Temperatur des Abgases ist im Vergleich zu Erdgas-Motoren nämlich geringer, weshalb ein Wärmetauscher zur effizienten Überführung der Wärme in den Heizkreis entwickelt werden soll.

©A-TRON Blockheizkraftwerke GmbH

Haltbarkeit der Bauteile soll erhöht werden

Im zweiten Teilziel soll zudem die Haltbarkeit der Wasserstoff-BHKW erhöht werden. Da bei der Herstellung der BHKW bereits nicht unerhebliche Emissionen entstehen, sollen diese möglichst lange verwendet werden. Hierzu muss die Haltbarkeit der einzelnen Bauteile erhöht werden – speziell jedoch die der Laufbuchse, deren Lebenszeit am stärksten begrenzt ist. Gegen den Verschleiß soll insbesondere durch die additive Fertigung (3D-Druck) von modernen Komponenten vorgegangen werden. Zudem wird der Verschleiß im Rahmen des Projekts bereits während des Betriebs messbar gemacht. Hierdurch kann der kostenintensive Ausbau des gesamten Motors ersetzt werden, der aktuell für eine Verschleißmessung (und den Laufbuchsenaustausch) noch nötig ist. Zudem wird ein effizienteres Wärmemanagement ermöglicht.

Professor Lachmayer, geschäftsführender Leiter vom IPeG, betont die Bedeutung des Projekts für eine erfolgreiche Wärmewende: „Sowohl die Wasserstoffverbrennung in Blockheizkraftwerken als auch die Einbindung der additiven Fertigung in die Motorentechnologie ist neuartig. Wenn BHKW mit Wasserstoff ohne Treibhausgas-Emission betrieben werden können, ist dies ein zentraler Baustein für die Wärmewende.“

Land Niedersachsen fördert das Projekt

Zu den Projektpartnern gehört die A-TRON Blockheizkraftwerke GmbH sowie mit dem Institut für Technische Verbrennung und dem Institut für Produktentwicklung und Gerätebau zwei Institute der Leibniz Universität Hannover. Das Projekt wird mit knapp 800.000 € vom Land Niedersachsen gefördert und soll bis Oktober 2024 laufen.

Während die Institute der Leibniz Universität Hannover die gewonnenen Erkenntnisse im Anschluss an das Projekt auf weitere Forschungsfelder übertragen wollen, plant die A-TRON GmbH mit den neuen BHKW den aktuellen Kundenkreis zu beliefern und weitere Märkte zu erschließen. Daniel Steck, Entwicklungsleiter bei der A-TRON Blockheizkraftwerke GmbH, betont in diesem Kontext die Chancen, die sich beim Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft ergeben: „Aktuell vertreiben wir bereits umweltfreundliche BHKW – z.B. in Form von Biogas- oder Klärgasanlagen. Mit dem Projekt wollen wir unser Portfolio jedoch strategisch erweitern. Mit der erfolgreichen Anpassung eines BHKW auf den Wasserstoffbetrieb können wir in einen wichtigen Zukunftsmarkt investieren und zum Aufbau einer treibhausgasneutralen Wasserstoff-Infrastruktur beitragen.“