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2023 | OriginalPaper | Buchkapitel

Hydrogen in the Gas Network – Challenges and Solutions for High Performance Engines for Power Generation

verfasst von : Clément Leroux, Robert Böwing, Bernadet Hochfilzer, Alexander Zuschnig, Manuel Behr

Erschienen in: Heavy-Duty-, On- und Off-Highway-Motoren 2022

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Abstract

The global drive to increase the use of renewable energy requires new approaches for energy storage and transportation to be developed. Blending hydrogen into the existing natural gas pipeline network is one strategy to store surplus electric energy in the form of green hydrogen. This strategy is currently being seriously considered in both the US and Europe.
The INNIO approach is to enable INNIO’s entire Jenbacher product line for power generation to run on pipeline gas – hydrogen mixtures, with the permitted hydrogen content allowed to fluctuate between 0 and 25% vol. The challenges for engine development are as follows: The solution must enable operation with varying hydrogen contents and be applicable to the entire pipeline gas product program. Engine parameters like NOx, peak firing pressure, power control reserve, combustion knock margin, and turbocharger surge margin must stay within defined limits. Critical events like mega knock at high BMEP (engine damage) and autoignition during fault ride though events (grid code non-compliance) must be avoided.
The selected strategy involves the measurement of the hydrogen content in natural gas and the pre-definition of various engine operating parameters. The final concept consists of a hardware/software package that includes additional sensors as well as hydrogen compensation software. Gas train size/version and fuel metering size/version must be checked and adapted to each individual engine if required.
The development project ran over two years and included hydrogen sensor selection and validation, component certification, controls strategy development, and single and multi-cylinder engine testing. The testing was carried out with defined mixtures of natural gas, propane, and hydrogen on various Jenbacher engines from INNIO platforms and included steady-state and transient operation. The final solution is retrofittable.
INNIO’s Jenbacher engines are now ready for hydrogen ad-mixed in the gas pipeline. The applied technical concept offers robust power plant operation at best performance. Any potenzial customer demands with hydrogen in natural gas contents above 25% (up to 100%) also can be handled but will require further engine hardware and software packages affecting pure natural gas operation.

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Literatur
1.
Zurück zum Zitat Baumann, Z.: Machen Sie sich bereit für eine Zukunft mit Wasserstoff, Dessau Gas Engine Conference, Mai (2022) Baumann, Z.: Machen Sie sich bereit für eine Zukunft mit Wasserstoff, Dessau Gas Engine Conference, Mai (2022)
2.
Zurück zum Zitat Kunz, A.: Gas Engines: Renewable Power with Operational Flexibility, Key-Note, 9th AVL Large Engines TechDays, Fully Digital, April (2021) Kunz, A.: Gas Engines: Renewable Power with Operational Flexibility, Key-Note, 9th AVL Large Engines TechDays, Fully Digital, April (2021)
3.
Zurück zum Zitat Hochfilzer, B.: Decarbonization of Europe’s Power Generation – ready for Hydrogen Engine Power Plants for 25% Hydrogen in Natural Gas, CIMAC Cascades in Graz, September (2021) Hochfilzer, B.: Decarbonization of Europe’s Power Generation – ready for Hydrogen Engine Power Plants for 25% Hydrogen in Natural Gas, CIMAC Cascades in Graz, September (2021)
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Zurück zum Zitat Laiminger, S., et al.: Hydrogen as Future Fuel for Gas Engines, CIMAC Vancouver (2019) Laiminger, S., et al.: Hydrogen as Future Fuel for Gas Engines, CIMAC Vancouver (2019)
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Zurück zum Zitat Böwing, R.: Use of Special Gases in Power Plant Engines” in chapter “Off-Highway-Gas Engines in Natural Gas and Renewable Methane for Powertrains, ISBN: 978-3-319-23225-6 (2016) Böwing, R.: Use of Special Gases in Power Plant Engines” in chapter “Off-Highway-Gas Engines in Natural Gas and Renewable Methane for Powertrains, ISBN: 978-3-319-23225-6 (2016)
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Zurück zum Zitat Prankl, S. et al.: Fortschritte bei Sondergasen – GE Gasmotoren mit hoher Leistung für wasserstoff- und kohlenmonoxidreiche Gase, 4. Rostocker Großmotorentagung, September (2016) Prankl, S. et al.: Fortschritte bei Sondergasen – GE Gasmotoren mit hoher Leistung für wasserstoff- und kohlenmonoxidreiche Gase, 4. Rostocker Großmotorentagung, September (2016)
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Zurück zum Zitat Zauner, S. et al.: Nutzung von Gichtgas im Großmotor mit Hilfe eines auf Zweigasbetrieb angepassten Regelungskonzeptes; 3. Rostocker Großmotorentagung, September (2014) Zauner, S. et al.: Nutzung von Gichtgas im Großmotor mit Hilfe eines auf Zweigasbetrieb angepassten Regelungskonzeptes; 3. Rostocker Großmotorentagung, September (2014)
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Zurück zum Zitat Chmela, F. et al.: Simulation of the combustion rate trend during operation with special gases; 8th Dessau Gas Engines Conference, Germany, March (2013) Chmela, F. et al.: Simulation of the combustion rate trend during operation with special gases; 8th Dessau Gas Engines Conference, Germany, March (2013)
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Zurück zum Zitat Amplatz, E. et al.: Utilization of special gases in stationary gas engines – A manufacturer’s experience , MTZ heavy duty conference, Hamburg, November (2011) Amplatz, E. et al.: Utilization of special gases in stationary gas engines – A manufacturer’s experience , MTZ heavy duty conference, Hamburg, November (2011)
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Zurück zum Zitat Amplatz, E. et al.: Sondergase aus Industrieprozessen – neue Ressourcen für Energieerzeugung mit Verbrennungsmotoren; Tagung Gasfahrzeuge Stuttgart (2009) Amplatz, E. et al.: Sondergase aus Industrieprozessen – neue Ressourcen für Energieerzeugung mit Verbrennungsmotoren; Tagung Gasfahrzeuge Stuttgart (2009)
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Zurück zum Zitat Schneßl, E. et al.: Großgasmotorenkonzepte für Gase mit extrem niedrigem Heizwert; 6. Dessauer Gasmotoren-Konferenz, März (2009) Schneßl, E. et al.: Großgasmotorenkonzepte für Gase mit extrem niedrigem Heizwert; 6. Dessauer Gasmotoren-Konferenz, März (2009)
12.
Zurück zum Zitat Schneßl, E. et al.: „Optimierung von Brennverfahren für Sondergasanwendungen auf Basis Simulation und Versuch am Einzylinder-Forschungsmotor“; Heavy-Duty, On-and Off-Highway Engines, MTZ Konferenz in Friedrichshafen, Nov. (2009) Schneßl, E. et al.: „Optimierung von Brennverfahren für Sondergasanwendungen auf Basis Simulation und Versuch am Einzylinder-Forschungsmotor“; Heavy-Duty, On-and Off-Highway Engines, MTZ Konferenz in Friedrichshafen, Nov. (2009)
13.
Zurück zum Zitat Lopez, F., Vogl, L., Spyra, N., Böwing, R., Krainz, G.: New requirements for dynamic Grid Code regulations and the impact on turbocharging concepts, 21. Aufladetechnische Konferenz (2016) Lopez, F., Vogl, L., Spyra, N., Böwing, R., Krainz, G.: New requirements for dynamic Grid Code regulations and the impact on turbocharging concepts, 21. Aufladetechnische Konferenz (2016)
Metadaten
Titel
Hydrogen in the Gas Network – Challenges and Solutions for High Performance Engines for Power Generation
verfasst von
Clément Leroux
Robert Böwing
Bernadet Hochfilzer
Alexander Zuschnig
Manuel Behr
Copyright-Jahr
2023
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-41477-1_11

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