Vedyn käyttö kaasumoottoreissa
Kymäläinen, Iikka (2024)
Kandidaatintyö
2024
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20241219104799
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20241219104799
Tiivistelmä
Tässä kandidaatin työssä selvitetään vedyn käytön mahdollisuutta kaasumoottoreiden polttoaineena ja perehdytään teknologian nykytilaan. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Työssä käydään läpi kaasumoottoreiden toimintaa yleisesti, perehdytään vedyn kaasumoottorikäytön näkökulmasta oleellisiin aineominaisuuksiin sekä vedyn tuotantoon ja varastointiin. Työssä tuodaan esiin vedyn kaasumoottorikäytön haasteita ja vedyn käytön mahdollistavia teknisiä ratkaisuja.
Vety soveltuu kaasumoottoreiden polttoaineeksi siinä missä perinteiset hiilivetypohjaiset polttoaineet. Vety on kuitenkin ominaisuuksiensa vuoksi haastava polttoaine käyttää. Merkittävimpiä vedyn moottorikäyttöä rajoittavia tekijöitä ovat epänormaalit palamisilmiöt. Epänormaaleja palamisilmiöitä ovat ennenaikainen syttyminen, palamisen takaisku ja nakuttava palaminen. Laihan seoksen käyttö, polttoaineen ruiskutus suoraan sylinteriin ja sylinterin jäähdytys ovat keskeisiä keinoja hillitä epänormaalia palamista. Vedyn tuotantomuodolla ja vedyn varastointimenetelmällä on suuri merkitys vetykäyttöisten kaasumoottoreiden päästöihin ja taloudelliseen kannattavuuteen.
Vetykäyttöisiä kaasumoottoreita voidaan käyttää energiantuotannossa tuuli- ja aurinkovoiman tuotannon vaihtelun tasapainottamisessa sekä raskaan kaluston voimanlähteenä. Vety voidaan käyttää kaasumoottoreissa joko puhtaana polttoaineena, yhdessä dieselin tai biodieselin kanssa kaksoispolttoainemoottorissa tai esimerkiksi maakaasun kanssa seoksena. Kaksoispolttoainemoottorikäyttö tai vety-maakaasuseoksen käyttö on yksinkertaisin tapa käyttää vetyä kaasumoottoreissa, joten ne toimivat siirtymävaiheen ratkaisuna ennen puhtaan vedyn kaasumoottorikäytön yleistymistä. This bachelor’s thesis examines the opportunities for the use of hydrogen in gas engines. Also, the current state of the technology is examined. The thesis is conducted as a literature review. The thesis examines gas engine technology, properties of hydrogen, hydrogen production and storage as well as challenges of hydrogen combustion. Also, the technical solutions enabling hydrogen use in gas engines are examined.
Hydrogen as engine fuel is as suitable for gas engine applications as conventional hydrocarbon-based fuels. On the other hand, the properties of hydrogen make it rather challenging to apply it in combustion engines. Abnormal combustion events are identified as the most significant factor limiting the operation of hydrogen gas engines. Abnormal combustion events include pre-ignition, backfire and knocking combustion. Use of lean fuel-air mixture, application of direct injection method and cylinder cooling are identified as major solutions preventing abnormal combustion events. Hydrogen production methods and hydrogen storage options affect hydrogen gas engines emissions and profitability.
Hydrogen gas engines can be used in power generation balancing variability of wind and solar energy production and as the powertrain of heavy-duty vehicles. Hydrogen gas engines can use either pure hydrogen or hydrogen-natural gas blends. In addition, in dual fuel engines hydrogen can be used as a secondary fuel with diesel or biodiesel. Hydrogen dual fuel engines and the use of hydrogen blends in gas engines play a critical medium-term role in power generation and marine industries.
Vety soveltuu kaasumoottoreiden polttoaineeksi siinä missä perinteiset hiilivetypohjaiset polttoaineet. Vety on kuitenkin ominaisuuksiensa vuoksi haastava polttoaine käyttää. Merkittävimpiä vedyn moottorikäyttöä rajoittavia tekijöitä ovat epänormaalit palamisilmiöt. Epänormaaleja palamisilmiöitä ovat ennenaikainen syttyminen, palamisen takaisku ja nakuttava palaminen. Laihan seoksen käyttö, polttoaineen ruiskutus suoraan sylinteriin ja sylinterin jäähdytys ovat keskeisiä keinoja hillitä epänormaalia palamista. Vedyn tuotantomuodolla ja vedyn varastointimenetelmällä on suuri merkitys vetykäyttöisten kaasumoottoreiden päästöihin ja taloudelliseen kannattavuuteen.
Vetykäyttöisiä kaasumoottoreita voidaan käyttää energiantuotannossa tuuli- ja aurinkovoiman tuotannon vaihtelun tasapainottamisessa sekä raskaan kaluston voimanlähteenä. Vety voidaan käyttää kaasumoottoreissa joko puhtaana polttoaineena, yhdessä dieselin tai biodieselin kanssa kaksoispolttoainemoottorissa tai esimerkiksi maakaasun kanssa seoksena. Kaksoispolttoainemoottorikäyttö tai vety-maakaasuseoksen käyttö on yksinkertaisin tapa käyttää vetyä kaasumoottoreissa, joten ne toimivat siirtymävaiheen ratkaisuna ennen puhtaan vedyn kaasumoottorikäytön yleistymistä.
Hydrogen as engine fuel is as suitable for gas engine applications as conventional hydrocarbon-based fuels. On the other hand, the properties of hydrogen make it rather challenging to apply it in combustion engines. Abnormal combustion events are identified as the most significant factor limiting the operation of hydrogen gas engines. Abnormal combustion events include pre-ignition, backfire and knocking combustion. Use of lean fuel-air mixture, application of direct injection method and cylinder cooling are identified as major solutions preventing abnormal combustion events. Hydrogen production methods and hydrogen storage options affect hydrogen gas engines emissions and profitability.
Hydrogen gas engines can be used in power generation balancing variability of wind and solar energy production and as the powertrain of heavy-duty vehicles. Hydrogen gas engines can use either pure hydrogen or hydrogen-natural gas blends. In addition, in dual fuel engines hydrogen can be used as a secondary fuel with diesel or biodiesel. Hydrogen dual fuel engines and the use of hydrogen blends in gas engines play a critical medium-term role in power generation and marine industries.