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Gasmotor

Definition: ein Verbrennungsmotor, der mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben wird

Englisch: gas engine

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 19.08.2011; letzte Änderung: 02.09.2019

Ein Gasmotor ist ein Verbrennungsmotor, der mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben wird – beispielsweise mit Erdgas oder Biogas (das hauptsächlich aus Methan besteht), Ethan, Flüssiggas (LPG) oder Wasserstoff.

Arten von Gasmotoren

Gasmotoren gibt es basierend auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien:

Ottomotoren

Ein Gasmotor wird häufig gebaut als ein Hubkolbenmotor in Form eines Viertakt-Ottomotors, z. B. für den Betrieb mit Erdgas oder Flüssiggas. Hier liegt das Verbrennungsluftverhältnis häufig nahe 1 für eine stöchiometrische Verbrennung; in diesem Fall kann ein Drei-Wege-Katalysator für die Abgasreinigung] eingesetzt werden. Es gibt aber auch Magermotoren, die mit einem niedrigeren Verbrennungsluftverhältnis arbeiten (Magermix, lean burn), etwas höhere Wirkungsgrade erzielen und eine andere Art der Abgasreinigung benötigen. Serienmäßig sind solche Motoren verfügbar mit Leistungen zwischen ca. 150 kW und 10 MW.

Das Kompressionsverhältnis liegt meist höher als bei einem Benzinmotor, da die hohe Klopffestigkeit z. B. von Erdgas damit besser ausgenutzt wird.

Typischerweise liegt bei Gas-Ottomotoren der Wirkungsgrad zwischen 30 % und 40 %.

Otto/Dieselmotoren

Beispielsweise für den Betrieb mit reinem Erdgas lässt sich nicht direkt ein Dieselmotor realisieren, da das Erdgas für die Selbstzündung nicht geeignet ist. Jedoch kann man einen Zündstrahlmotor einsetzen, bei dem die Zündung erreicht wird, indem man eine geringe Menge eines Zündöls (z. B. Dieselkraftstoff) einspritzt. Diese Piloteinspritzung dient dann quasi als Zündkerze für das Gas, welches dem Motor mit der Verbrennungsluft vermischt zugeführt wird (wie beim Ottomotor).

Es gibt auch Gasmotoren, bei denen das Gas kurz nach dem Zündöl eingespritzt wird; hier spricht man von Gas-Dieselmotoren, obwohl die Selbstzündung nur mit Hilfe des Zündöls funktioniert. Solche Motoren können (v. a. im hohen Leistungsbereich) auch z. B. als Zweitakt-Kreuzkopf-Motoren mit Gleichstromspülung ausgeführt werden. Hier wird das Gas direkt in den Verbrennungsraum eingebracht (also nicht über die Verbrennungsluft), etwa im Niederdruckverfahren mit separaten Gasdüsen während der Verdichtungsphase oder im Hochdruckverfahren am Ende der Verdichtungsphase. Solche Motoren arbeiten häufig als Langsamläufer, also mit recht niedriger Drehzahl, z. B. zum direkten Antrieb einer Schiffsschraube ohne Getriebe. Sie können Leistungen von Dutzenden von Megawatt erreichen.

Das Kompressionsverhältnis ist bei solchen Motoren höher als bei Gas-Ottomotoren, und vor allem deswegen liegt auch der Wirkungsgrad höher. Bei größeren Motoren (z. B. für Schiffe) sind Wirkungsgrade in der Gegend von 50 % möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch Schwachgase wie Biogas aus minderwertigen Substraten oder Deponiegas ohne aufwendige Aufbereitung (etwa zur Erhöhung des Methananteils) genutzt werden können.

Es gibt auch Dual-Fuel-Motoren, die entweder mit Erdgas (und wenig Zündöl) oder allein mit Dieselkraftstoff betrieben werden können, also bivalent; die Umschaltung ist sogar im laufenden Betrieb problemlos möglich. Im Dieselbetrieb wird in der Regel ein separates Einspritzsystem verwendet. Leider erfordert eine Konstruktion, die mit zwei so unterschiedlichen Kraftstoffen arbeiten, gewisse Kompromisse, die ein Stück weit auf Kosten der Effizienz gehen. Vor allem aber ist die Abgasqualität in der Regel weniger gut.

Gasmotoren für Wasserstoff

Gasmotoren lassen sich auch für den Einsatz von Wasserstoff konstruieren. Bislang werden sie jedoch nur in sehr geringem Umfang eingesetzt.

Wasserstoff als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren hat deutlich andere Eigenschaften als z. B. Erdgas und Benzin. Günstig sind die weiten Zündgrenzen, was beispielsweise den Betrieb als Magermotor erleichtert. Die Motorleistung kann unter Umständen allein durch die Variation der Wasserstoffkonzentration erfolgen, also ohne Drosselung der Luftzufuhr – außer evtl. im unteren Lastbereich. Die hohe Flammengeschwindigkeit ist günstig bei hohen Motordrehzahlen, führt aber auch zu einem rapiden Druckanstieg mit entsprechender mechanischer Belastung der Konstruktion. Nachteilig ist die geringe volumetrische Energiedichte, die zu einer geringeren Motorleistung führt. Probleme können auch entstehen durch negative Einflüsse auf das Schmieröl des Motors.

Unterschiedliche Motorkonzepte wurden für Wasserstoff entwickelt – sowohl Ottomotoren als auch Dieselmotoren mit Zündstrahlverfahren. Nur mit Anpassung der Motorentechnologie auf die besonderen Eigenschaften des Wasserstoff kann dessen Potenzial ausgenutzt werden, also die optimale Effizienz erzielt werden.

Anwendungen von Gasmotoren

Kraftfahrzeuge

Gasmotoren arbeiten in etlichen Kraftfahrzeugen, die beispielsweise mit einem Tank für komprimiertes Erdgas ausgerüstet sind. Hier handelt es sich in aller Regel um Ottomotoren mit Drei-Wege-Katalysator.

Häufig sind solche Motoren als Dual-Fuel-Motoren für Betrieb mit Gas oder Benzin ausgeführt, wodurch leider das Kompressionsverhältnis begrenzt ist (um das Klopfen im Benzinbetrieb zu vermeiden) und die hohe Klopffestigkeit des Erdgases nicht ausgenutzt werden kann; der Wirkungsgrad ist deswegen nicht optimal.

Blockheizkraftwerke

Viele Gasmotoren werden in Blockheizkraftwerken verwendet – insbesondere in Leistungsbereichen, die für Gasturbinen zu niedrig sind.

Insbesondere für den Betrieb mit Erdgas oder Biogas optimierte größere Gasmotoren (etwa für Kraft-Wärme-Kopplung und in Gas-Wärmepumpen verwendet) zeichnen sich durch einen recht hohen Wirkungsgrad (in der Regel zwischen 40 % und 50 %) und entsprechend niedrige CO2-Emissionen aus, etwa im Vergleich mit Ottomotoren oder Dieselmotoren mit flüssigen Kraftstoffen. Gasmotoren für kleinere Blockheizkraftwerke sind weniger effizient als die größeren.

Für Biogas verwendet man häufig Zündstrahlmotoren, da sie auch mit schwacher Gasqualität (also ohne spezielle Aufbereitung des Gases) gut funktionieren. Leider ist eine hohe Abgasqualität hier schwieriger zu erreichen; ein Problem ist insbesondere der mögliche sehr klimaschädliche Methanschlupf. Ebenfalls kann es Emissionen von Formaldehyd geben.

Schiffsantriebe

Größere Schiffe (etwa maritime Frachtschiffe, Kreuzfahrschiffe und Öltanker) werden bislang meist von Schweröl-Dieselmotoren angetrieben, die jedoch eine miserable Abgasqualität aufweisen, wenn sie nicht mit einer aufwendigen Abgasreinigung für Entschwefelung und Entstickung ausgestattet werden – die aber häufig fehlt.

Als eine wesentlich sauberere Alternative werden zunehmend Antriebe mit Gasmotoren eingeführt. Häufig sind dies Dual-Fuel-Motoren für Erdgas oder Dieselkraftstoff, wobei der reine Erdgasbetrieb nicht immer möglich ist. Im Vergleich zu Dieselmotoren entfallen weitgehend die Feinstaub- und Schwefeldioxid­emissionen, und auch die Stickoxid-Emissionen sind meist massiv geringer. In günstigen Fällen werden auch die klimaschädlichen CO2-Emissionen um ca. 10 % bis 20 % reduziert. Leider kann aber dieser Effekt leicht zunichte gemacht werden, wenn Methan unverbrannt in die Atmosphäre auftritt – nicht nur als Methanschlupf im Motor, sondern in der gesamten Kette von der Erdgasförderung und -aufbereitung über den Transport, die Beladung der Schiffe und die dortigen Tanks. Insbesondere der Einsatz von Fracking-Gas, wo bei der Förderung oft erhebliche Gaslecks auftreten, ist diesbezüglich problematisch.

Für eine flächendeckende Versorgung von Schiffen mit Flüssigerdgas fehlt leider noch die Infrastruktur. Eine Betankung ist nur in wenigen Häfen möglich.

Siehe auch: Verbrennungsmotor, Motor, Klopfen beim Ottomotor, Zündstrahlmotor, Gas-Wärmepumpe, Erdgas, Biogas, Wasserstoff
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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