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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Kraftwerksverbrennung
In Kraftwerken findet eine Umwandlung von chemisch oder nuklear gebundener Energie in elektrische und/oder thermische Energie (zur Wärmenutzung) statt. Bei der Nutzung von chemisch gebundener Energie wird überwiegend die Verbrennung fossiler Stoffe, aber auch von Abfall oder Biomasse genutzt.

Ein grosser Anteil der Stromproduktion in Deutschland wird durch die Verbrennung von Steinkohle, Braunkohle und Ergdas durchgeführt (siehe z.B.:AG Energiebilanzen e.V.).

 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts werden folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


TURBOmachinery REtrofits enabling FLEXible back-up capacity for the transition of the European energy system
(TURBO-REFLEX)
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Der Energiesektor trägt zwei Drittel zu den globalen CO2 Emissionen bei, ist daher entscheidend für ein in Zukunft umweltfreundliches Wachstum, um die vorgesehenen Ziele bei der Begrenzung globaler Emissionen zu erreichen. Eine substantielle Reduktion der CO2 Emissionen kann nur durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen im großen Maßstab erreicht werden, wobei insbesondere die ergiebigsten Energiequellen Wind- und Sonnenkraft eingesetzt werden. Deren intermittierendes Vorkommen bedeutet jedoch eine große Herausforderung für die Energieversorgungssystem, da die Spitzen des erneuerbaren Energieangebots mit denen der angeforderten Leistung nicht überlappen. Da bislang noch keine Speichermöglichkeiten im erforderlichen Bereich vorhanden sind, werden zusätzliche Methoden zur Sicherung der Energieversorgung notwendig sein. Die Bereitstellung von Technologien die bereits installierte Kraftwerke für eine flexiblere Betriebsweise ertüchtigen, ohne dabei zu einer Verschlechterung bezüglich Betriebsdauer, Kosten und Emissionen zu führen, ist eine Möglichkeit die Energieversorgung mit den durch höhere Anteile regenerativer Energiequellen erforderlichen Sicherungskapazitäten zu versehen und so einen stabilen und elastischen Betrieb zu garantieren, der gleichzeitig einen höheren Anteil erneuerbarer Energiequellen erlaubt.

Die Mission von TURBO-REFLEX ist daher die Entwicklung und Optimierung von Technologien für ausgewählte Komponenten von Turbomaschinen, die dafür verwendet werden können, um sowohl existierende als auch neue Kraftwerke für einen flexibleren Betrieb zu ertüchtigen. Dabei wird TURBO-REFLEX auch die Auswirkungen, die solche Technologien auf Kraftwerksebene durch den Transfer der Komponententechnologie auf Wartungs- und Betriebskosten hat, bewerten.

Die magere Verlöschgrenze ("lean blow off", LBO) ist eine entscheidende Hürde für die weitere Reduktion der möglichen Teillast, weil der Betriebsbereich durch die LBO-Grenze limitiert wird. Strahlstabilisierte, vorgemischte Flammen sind mit Abblasegrenzen hinunter bis zu einer Verbrennungstemperatur von 1000°C-1200°C mit oder ohne die Verwendung von Pilotflammen vorhergesagt. 1000°C-1200°C Verbrennungstemperatur würde einen konformen Teillastbetrieb gleicher Emissionen bis zu 20%-25% bedeuten. Weitere Abblasegrenzen des Brenners sind eine Grundvoraussetzung für die Anwendung hoher Leistungsgradienten. Es wird daher erwartet, dass strahlstabilisierte, vorgemischte Flammen mit besseren LBO Grenzen auch Leistungsgradienden höher als 40MW/min erlauben werden.

EBIvbt am Karlsruher Institut für Technologie wird das Abblasen von Strahlflammen mit fortschrittlichen Verbrennungsmodellen untersuchen. Diese Modelle berücksichtigen sowohl geometrische Grundparameter als auch die Auswirkung von benachbarten Pilotflammen. Dazu wird ein 3D-Simulationsmodell entwickelt und experimentell bei Bedingungen nahe der Anwendung validiert. Die Turbulenz/Chemie Interaktion ("turbulence chemistry interaction", TCI) wird auf Basis zweier verschiedener Verbrennungsmodelle berücksichtigt, wobei in beiden Modellen eine Transportgleichung einer Reaktionsfortschrittsvariablen gelöst wird. Der Unterschied beider Modelle besteht in der Quelltermmodellierung. Beim ersten Modell hängt der Quellterm vom Mischungsbruch und der Reaktionsfortschrittsvariable selbst ab. Im zweiten Modell, das auf einer Beschreibung der turbulenten Flammengeschwindigkeit beruht ("turbulent flame speed closure", TFC), hängt der Quellterm neben den lokalen Turbulenzeigenschaften von der laminaren Brenngeschwindigkeit ab. Auf diese Weise kann der Einfluss von Flammenstreckung und lokalem Wärmeverlust auf die laminare Brenngeschwindigkeit, der sich schon bei einfachen 1D-Modellrechnungen zeigt, direkt berücksichtigt werden. Durch den Vergleich der zwei Modelle mit experimentell ermittelten Daten wird gezeigt, welches Modell besser für die Wiedergabe der Abblasegrenzen geeignet ist.


Renewable Power Generation by Solar Particle Receiver Driven Sulphur Storage Cycle
(PEGASUS)
In PEGASUS wird ein neues Verfahren für die Elektrizitätserzeugung auf Basis erneuerbarer Energie untersucht. Dieses Verfahren kombiniert die Technologie des konzentrierenden Energieeintrags aus Sonnenenergie durch einen Kollektor auf Basis einer Partikelzentrifuge mit einem Energiespeichersystem auf Schwefelbasis. Der vorgeschlagene Prozess verbindet strömende Partikel als Wärmeübertragermedium, die zusätzlich als direktes thermisches Speichermedium verwendet werden können, mit der indirekten thermochemischen Speicherung von Sonnenenergie in festem Schwefel. Dadurch wird die Einbindung eines Sonnenkraftwerks als regenerativer Stromerzeuger im 24-Stunden Betrieb ermöglicht.

Prozessschema des solaren Schwefelkreisprozesses / Bildquelle: DLR

Das übergeordnete Ziel von PEGASUS ist die Entwicklung und Demonstration eines innovativen Sonnenturm Systems das auf einem Kollektor mit festen Partikeln basiert in Kombination mit einem thermochemischen Speichersystem für Sonnenenergie auf Grundlage von elementarem Schwefel.  So soll eine verlässliche Stromerzeugung bei signifikanter Kostenreduktion im Vergleich zu aktuellen Konzepten ermöglicht werden. Die Technologie wird unter realen Bedingungen im Sonnenturm Jülich (STJ) in Deutschland erprobt.
Dazu müssen vom KIT die folgenden projektspezifischen technischen Ziele erreicht werden:  
  • Die Entwicklung und Realisierung eines neuen Schwefelbrenners im Laboratoriumsmaßstab, der es ermöglicht in einem Bereich von 10-50 kW stabile Verbrennungsbedingungen mit > 99% Verbrennungswirkungsgrad und Leistungsdichten von > 1,5 MW/m3 (Dies entspricht einem Wert, der dreimal höher ist als bei konventionellen Schwefelverbrennungsanlagen) unter atmosphärischen Bedingungen und Temperaturen >1400°C .
  • In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wird die Durchführbarkeit des Gesamtprozesses demonstriert, das detaillierte Gesamtfließschema erstellt und eine Analyse des optimierten, integrierten Prozesses, der auf 5MWth skaliert ist, durchgeführt. Dabei wird auch eine Bewertung der Technologie gegenüber der Zielstellung durchgeführt.

Weitere Informationen sind in einer Pressemitteilung des KIT erläutert und an der Internetseite des Projekts (Link unten).


Modulare Erweiterung eines Gesamtmodells zur verbesserten Vorhersage des Verbrennungsverlaufs von Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen
(CEC3H)

Die im Projekt 3H geleistete Forschungsarbeit dient der Erfüllung der Ziele des Gesamtvorhabens „Betriebsflexibilität und Brennstoffflexibilität“. Die Betriebsflexibilität wird entscheidend von den Stabilitätsgrenzen der Verbrennung beeinflusst, deren Vorhersage immer noch eine Herausforderung darstellt. Die Brennstoffflexibilität setzt die sichere Auslegung von Brennern voraus, die sowohl mit gasförmigem als auch mit flüssigem Brennstoff operieren können. Aus den dargestellten Notwendigkeiten und Herausforderungen definieren sich die Ziele des Teilprojektes 3H, das die Weiterentwicklung der erfolgreich geleisteten Forschungsarbeiten innerhalb des Projektes 1F der 1. Phase darstellt.
Das innerhalb des Projektes 1F entwickelte Modell für die Verbrennung von flüssigen Brennstoffen und Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen ist in der Lage die Wärmefreisetzung bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen unter Vorgabe der Tropfendurchmesser- und Geschwindigkeitsverteilung bei adiabater Verbrennung zu berechnen. Daraus wird ersichtlich, dass mehrere wichtige Aspekte, die für den Einsatz des Modells beim Design-Prozess entscheidend sind, noch nicht berücksichtigt werden. Der erste Aspekt betrifft die Vorgabe der Verteilung der Tropfencharakteristiken, welche in der aktuellen Programmversion aus experimentellen Daten entnommen werden müssen. Der zweite Aspekt betrifft die Nichtberücksichtigung von Wärmeverlusten, welche aber für die Vorausberechnung der Flammenstabilität und der Emissionen von essentieller Bedeutung sind. Darüber hinaus wurde das Modell nur anhand der Verbrennung von Kerosin (vorhandene institutseigene Messungen) validiert, weil die experimentellen Ergebnisse mit Diesel und Diesel/Wasser-Emulsionen noch nicht vorliegen.
An diese Fragestellungen knüpft das Teilprojekt 3H an, das es zum Ziel hat ein Tool zu entwickeln, welches beim Design einer Gasturbinenbrennkammer eingesetzt werden kann. Dabei soll einerseits der Zerstäubungsprozess durch ein empirisches Modell wiedergegeben werden und andererseits der Einfluss der Wärmeverluste auf die Wärmefreisetzungscharakteristik erfasst werden. Darüber hinaus werden weitere Teilaspekte, wie die Tropfen-Wand-Interaktion oder die Feldverteilung des Brennstoff/Wasser-Verhältnisses (BWV), die im realen Prozess eine wichtige Rolle spielen, durch geeignete Teilmodelle berücksichtigt.

 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


AP2000 Klärung der Trennmechanismen
(METPORE II - Nanostrukturierte, metallgetragene Keramikmembranen für die Gastrennung in fossilen Kraftwerken)
Das METPORE II Verbundprojekt untersucht die Abtrennung von Kohlendioxid (CO2) aus Rauchgasen mittels keramischer Membranen, um das aufkonzentrierte CO2 im CCS-Verfahren effizienter in entsprechende Speicherstrukturen verpressen zu können. Diese Strategie zur CO2-Abtrennung aus Gasgemischen kann prinzipiell auch bei anderen Verfahren (Biogasaufbereitung) eingesetzt werden, die ebenfalls von der thermischen und chemischen Stabilität keramischer Membranen profitieren.  
Im Teilprojekt am Lehrstuhl Verbrennungstechnik des Engler-Bunte-Instituts sollen die Mechanismen bei der Kohlendioxid/Stickstoff- (CO2/N2)-Trennung mittels unterschiedlicher Membranen aufgeklärt werden, um aus diesen Erkenntnissen Designstrategien für optimierte Membranen ableiten zu können. Zu diesem Zweck sollen die Diffusionskoeffizienten der Gasmoleküle für die Membranen nach der Wicke-Kallenbach-Methode untersucht werden. Neben den Majoritätenkomponenten Stickstoff und Kohlendioxid wird mit dem Versuchsstand auch die Rolle von Wasserdampf als Bestandteil von Rauchgasen bei der Coadsorption als wichtigen Schritt der Permeation untersucht, dazu kann Wasserdampf dem synthetischen Rauchgas in weitem Konzentrationsbereichen zudosiert werden. Bei der Untersuchung werden moderne Gasmischstationen eingesetzt, für die Gaskonzentrationsmessung wird ein Quadrupolmassenspektrometer mit hoher Messempfindlichkeit und weitem Messbereich verwendet.
Dieses Projekt wird vor Ort durch ein weiteres Teilprojekt zur Degradations- bzw. Beständigkeitsmessung an den Membranen der DVGW-Forschungsstelle ergänzt, beide Teilprojekte nutzen hierbei synergetisch die Gasinfrastruktur und Gasanalytik.




Modellierung des Verbrennungsverlaufs bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen und Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen.
(CEC_1F)

Im Rahmen der von der Bundesregierung und der Europäischen Union angestrebten Energiewende ist der Zuwachs des Anteils an erneuerbaren Energien entscheidend. Hiermit verbunden ist allerdings eine den natürlichen Ressourcen Wind und Sonne geschuldete fluktuierende Energieerzeugung, die nicht mit dem Strombedarf korreliert. Zum Ausgleich dieser Energieerzeugungslücke werden Kraftwerke benötigt, die in einem flexiblen Lastbereich betrieben werden können. In diesem Zusammenhang nehmen Gaskraftwerke eine wichtige Rolle ein, da sie schnelle Lastanpassungen ermöglichen und Energie bei höchsten Wirkungsgraden bereitstellen.

Ziel des Verbundvorhabens ist daher die Entwicklung von Verbrennungstechnologien für die klimaschonende Energieumwandlung. Die im Teilprojekt 1F geleistete Forschungsarbeit dient in diesem Zusammenhang zur Erfüllung des Teilziels „Betriebsflexibilität und Brennstoffflexibilität“. Die Betriebsflexibilität hängt entscheidend von den Stabilitätsgrenzen der Verbrennung ab, deren Vorhersage noch nicht adäquat möglich ist. Die Brennstoffflexibilität setzt die sichere Auslegung von Brennern voraus, die sowohl mit gasförmigem als auch mit flüssigem Brennstoff operieren können.

Eine wichtige Methode die Stromerzeugung klimaschonend zu gestalten ist die Erhöhung des Wirkungsgrades von Gasturbinen. Da die Erhöhung des Wirkungsgrades mit der Erhöhung des Druck und Temperaturniveaus des Prozesses zusammenhängt, kann das angestrebte Ziel nur auf Basis der Optimierung der Kühlung von den hochbelasteten Teilen erfolgen. Diese Optimierung kann nicht ohne die Kenntnis der Temperaturverteilung in der Brennkammer und am Brennkammeraustritt erfolgen, was auch das zentrale Ziel des Vorhabens ist. Die Berechnung der Temperaturverteilung bzw. der Verteilung der Wärmefreisetzung hängt von folgenden Teilprozessen ab: 

  • Erfassung der Tropfendispersion, die von den turbulenten Schwankungsbewegungen dominiert wird
  • Berechnung der Verdampfung, die von der Verdampfungscharakteristik und dem turbulenten Wärmetransport von der gasförmigen an die flüssige Phase abhängt
  • Erfassung der Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Wärmefreisetzung

Die realitätstreue Wiedergabe der dargestellten Teilprozesse stellen die wissenschaftlichen Teilziele des Projektes 1F dar.

  • Mit Large-Eddy-Simulation berechnete mittlere Temperatur im Nahfeld einer Airblast-Düse bei Verbrennung von Hexadekan mit und ohne Wasserbeimengung