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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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CO2-Emission

Sowohl im Verkehrssektor als auch bei der Energieerzeugung werden heute in erster Linie Verbrennungssysteme zur Umwandlung der in Brennstoffen gebundenen chemischen Energie in die gewünschte Nutzenergie verwendet. Da die Verbrennung fossiler Brennstoffe als einer der größten Verursacher von menschgemachtem Kohlendioxid gilt, sind Reduktionsmaßnahmen für CO2 und damit eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs ein inzwischen fest in die technische Entwicklung von Verbrennungssystemen integrierter Bestandteil geworden. Als aktuelle Forschungsschwerpunkte werden Untersuchungen zur Verbesserung der Energienutzung und deren technische Realisierung durchgeführt.
Eine kurze Einführung über die schädliche Wirkung von Kohlendioxid auf das Klima ist beim Umweltbundesamt Berlin einzusehen.


 

Fortschrittliche direkte Biogas-Brennstoff Einheit für die robuste und kostensparende dezentrale Wasserstofferzeugung
(BIOROBURplus)
BioROBURplus baut auf die Ergebnisse des FCH JU BioROBUR Projektes auf (Direkter, oxidativer Biogas-Dampfreformer) um eine vorkommerzielle Brennstoffverarbeitungseinheit, die 50 mN3 (d.h. 107 kg/Tag) 99.0%-igen Wasserstoff aus verschiedenen Biogastypen (Deponie, anaerobe Verarbeitung organischer Abfälle, anaerobe Verarbeitung von Abwasserschlämmen) auf kostensparende Weise erzeugt. Die Energieeffizienz der Biogasumwandlung zu H2 wird aufgrund folgender technologischer Neuerungen 80% auf HHV-Basis übersteigen:
  • erhöhte interne Wärmerezirkulation ermöglicht die Minimierung der Luftzufuhr zum Reformer aufgrund strukturierter zellulärer Keramiken die mit stabilen und recyclebaren Edelmetallkatalysatoren, die eine erhöhte Verkokungsresistenz aufweisen, beschichtet sind.
  • eine angepasste Druck-Temperatur Swing Adsorption (PTSA), die in der Lage ist Rückführung von Wärme sowohl unter Druck als auch bei niederen Temperaturen zu gewährleisten um die H2 Abtrennung von CO2 und N2 zu ermöglichen.
  • ein rekuperativer Brenner der auf Basis zellulärer Keramiken der in der Lage ist die niederkalorischen PTSA-Produktgase zu verwenden und so Wärme für die oben genannten Prozesschritte zur Verfügung zu stellen.
 
Gestaltungsvorschlag für den BioRoburplus Produktgasbrenner

Die ergänzend in BioROBUR bereits entwickelten technologischen Inovationen (fortschrittliches modulares System für die Luft/Dampf-Kontrolle zur Begrenzung der Verkokung; catalytic trap hosting WGS functionality and allowing decomposition of incomplete reforming products; etc.) werden es erlauben, alle Projektziele innerhalb des Projektrahmens zu erfüllen.
 
Poster zu Zentrum Energie Jahrestagung

Innovative large-scale energy STOragE technologies AND Power-to-Gas concepts after Optimisation
(STOREandGO)

Im “STORE&GO” Projekt werden drei innovative "Power to Gas" (PtG) Speicherkonzepte an Standorten in Deutschland, Schweiz und Italien demonstriert um technische, ökonomische, soziale und gesetzliche Beschränkungen für deren Einsatz zu überwinden. Diese Vorführanlagen werden den Weg für eine Integration des PtG-Specherkonzepts in flexible Energieversorgungs- und -verteilungssysteme mit einem hohen Anteil regenerativer Energien ebnen. Durch die Verwendung des Methanisierungsprozesses als Brückentechnologie wird im Projekt dargestellt und erforscht auf welche Art diese innovativen PtG-Konzepte dazu in der Lage sind die Hauptproblematiken erneuerbarer Energiequellen zu lösen: Fluktuierende Erzeugung erneuerbarer Energien; Die Berücksichtigung erneuerbarer Energien in suboptimalen Verteilernetzen; Kosten; Fehlende Speicherlösungen für erneuerbare Energie auf lokaler, nationaler und europäischer Ebene. Gleichzeitig werden PtG-Konzepte zur Bereitstellung von Erdgas oder SNG in der existierenden, sehr großen europäischen Infrastruktur beitragen und den bereits vorteilhaften und kontinuierlich verringerten ökologischen Fußabdruck als primärem/sekundärem Energieträger verbessern. Daher wird SORE&GO zeigen, dass PtG-Konzepte die Lücken, die mit erneuerbaren Energien und deren sicherer Bereitstellung verknüpft sind, überbrücken können. STORE&GO wird die Akzeptanz erneuerbarer Energietechnologien durch die Demonstration der Brückentechnologie an drei "lebenden" Standorten in Europa erhöhen.

 

 

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


Cost-effective CO2 conversion into chemicals via combination of Capture and Electrochemical and Biochemical Conversion
(CELBICON)
Die Umwandlung von CO2 in wertvolle Chemikalien oder Treibstoffe in Verbindung mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff hat das Potential sich zum strategischen Ziel der nächsten Jahrzehnte entwickeln. Dies würde nicht nur zur Reduktion von Treibhausgasemissionen bedeuten, sondern auch die Möglichkeit bieten einige der bisher verwendeten fossile Rohstoffe durch regenerativ erzeugte zu ersetzen. In diesem Zusammenhang soll im Rahmen des EU-finanzierten Projekt CELBICON (Cost-effective CO2 conversion into chemicals via combination of Capture, ELectrochemical and BIochemical CONversion technologies) eine neue Technologie zur Umwandlung von CO2 in Chemikalien entwickelt weden, die durch ihre hohe Effizienz auch im kleinen Maßstab vor allem zum Einsatz in Kombination mit den dezentral vorkommende erneuerbaren
Energien geeignet ist. 
Der CELBICON Prozess, dargestellt in der oberen Abbildung, beinhaltet die Abscheidung vonCO2 aus der Atmosphäre und deren Umwandlung in Synthesegas in einem elektro-katalytischemReaktor mit anschließender Biotechnologischer Umwandlung und Weiterverarbeitung in verschiedene Endprodukte (z.B.Isopren oder Biokunststoffe).

Das KIT ist im CELBICON Projekt dafür verantwortlich eine energieeffiziente Bereitstellung des Feedstocks für die Elektro-katalytische Einheit, die aus einer CO2/Wasser Lösung bei erhöhter Temperatur und Druck besteht. Da der Energieverbrauch der Lösung von CO2 in Wasser vom Energieaufwand für die Kompression des gasförmigen CO2 dominiert wird, wird das KIT auf der Grundlage von aktuellen Entwicklungen eine neue Methode zur Kompression und
gleichzeitigen Lösung von CO2  in Wasser erforschen.



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.




Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt B1: Rußbildung in nicht-adiabaten, instationären Flammen in laminarer und turbulenter Strömung unter Berücksichtigung der Flamme-Wand-Interaktion
(SFB_606_-_B1)
Die Ausbreitung von nicht adiabaten, teilweise vorgemischten Flammen in instationären, turbulenten Strömungs-, Druck- und Temperaturfeldern ist wesentlich für die motorische Verbrennung und die Verbrennung in Gasturbinen. Hierbei ist insbesondere die Wirkung kalter Wände (Brennraumwände von Verbrennungsmotoren Brennkammerwände von Gasturbinen) eine wichtige Einflussgröße, da der strahlungsbedingte Wärmeentzug aus der Flamme die Struktur der Flamme beeinflusst, die Ausbreitungsgeschwindigkeit reduziert sowie die Bildung von Schadstoffen (NOx, Ruß) beeinflusst. In diesem Teilprojekt soll die Rußbildung in nicht-adiabaten Flammen in instationären, laminaren und später auch turbulenten Strömungsfeldern unter dem Einfluß kalter Wände untersucht werden.

FOR 583 - Feste Schwämme TP A5 - Flammenstabilisierung durch Verbrennung in festen Schwämmen
(FOR583-A5)

Feste Schwämme sind monolithische, starre Netzstrukturen aus verbundenen Stegen, die von einem kontinuierlichen, fluiddurchlässigen Hohlraum durchdrungen werden.

Bei modernen Gasturbinen erfolgt die Reduzierung der NOX-Emissionen meist durch die Abmagerung der Verbrennungszone bei gleichzeitiger Homogenisierung des Brennstoff/Luft-Gemisches. Die Verwendung dieses Mager-Vormisch-Konzepts hat eine Verschlechterung der Zündstabilität unter Teillastbedingungen zur Folge. Die notwendige Erweiterung der mageren Stabilitätsgrenze wird derzeit meist durch eine Pilotierung, die als Diffusionsflamme ausgeführt wird, realisiert. Diese stellt bei modernen Gasturbinen die Hauptquelle der NOX-Emissionen dar.

Ziel des Teilprojektes ist daher die Untersuchung des Potentials einer neuartigen Stabilisierung, die durch eine in einem porösen, inerten, keramischen Medium (fester Schwamm) stattfindende Vormischverbrennung gewährleistet werden soll. Die Untersuchung der Reaktion soll dabei unter für Gasturbinen typischen Betriebsbedingungen ablaufen. Es sollen Erkenntnisse über den Verlauf und die Stabilität der Verbrennung im Schwamm in Abhängigkeit von dessen Geometrie und Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Porosität, Porengröße) gewonnen werden. Die aus den Untersuchungen resultierenden Ergebnisse stellen die unbedingte Voraussetzung zur Auslegung und Dimensionierung von Schämmen für den zukünftigen Einsatz als Pilotbrenner in Gasturbinen dar.

Eine Präsentation zu diesem Thema:


FOR 583 - Feste Schwämme TP 6 - Flammenstabilisierung durch Verbrennung in festen Schwämmen
(FOR583TP6)
Feste Schwämme sind monolithische, starre Netzstrukturen aus verbundenen Stegen, die von einem kontinuierlichen, fluiddurchlässigen Hohlraum durchdrungen werden.

Bei modernen Gasturbinen erfolgt die Reduzierung der NOX-Emissionen meist durch die Abmagerung der Verbrennungszone bei gleichzeitiger Homogenisierung des Brennstoff/Luft-Gemisches. Die Verwendung dieses Mager-Vormisch-Konzepts hat eine Verschlechterung der Zündstabilität unter Teillastbedingungen zur Folge. Die notwendige Erweiterung der mageren Stabilitätsgrenze wird derzeit meist durch eine Pilotierung, die als Diffusionsflamme ausgeführt wird, realisiert. Diese stellt bei modernen Gasturbinen die Hauptquelle der NOX-Emissionen dar.

Ziel des Teilprojektes ist daher die Untersuchung des Potentials einer neuartigen Stabilisierung, die durch eine in einem porösen, inerten, keramischen Medium (fester Schwamm) stattfindende Vormischverbrennung gewährleistet werden soll. Die Untersuchung der Reaktion soll dabei unter für Gasturbinen typischen Betriebsbedingungen ablaufen. Es sollen Erkenntnisse über den Verlauf und die Stabilität der Verbrennung im Schwamm in Abhängigkeit von dessen Geometrie und Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Porosität, Porengröße) gewonnen werden. Die aus den Untersuchungen resultierenden Ergebnisse stellen die unbedingte Voraussetzung zur Auslegung und Dimensionierung von Schämmen für den zukünftigen Einsatz als Pilotbrenner in Gasturbinen dar.

Eine Präsentation zu diesem Thema:

Environmentally Compatible Air Transport System
(ECATS)

Das Projekt ECATS (kurz für Environmentally Compatible Air Transport System) hat sich zum Ziel gesetzt die Entwicklung von umweltgerechten Luftfahrtsystemen zu unterstützen. Da das Erfüllen solch einer anspruchsvollen Aufgabe die Beteiligung vielen Nationen voraussetzt legt das Programm des Projekts großen Wert auf die Zusammenarbeit von verschiedenen Forschungsinstitutionen. Im Rahmen den vielen Projekttreffen werden die einzelnen Partner aufgefordert ihre Arbeit vorzustellen und zur Diskussion zu stellen. Auf dieser Weise wird die Erfahrung anderer genutzt um die Entwicklungsschritte für neuartige Konzepte zu verkürzen. Das Erstellen einer Know-How Datenbank verhalf dazu, das Können von vielen Einrichtungen für die anderen Partner zugänglich zu machen. Die Datenbank soll auch helfen in der Zukunft Forschungsvorhaben, die sich überschneiden, zu vermeiden oder zusammenzuführen. Mittels der Datenbank können zudem die Schwachstellen in der Strategie und Infrastruktur ausfindig gemacht und beseitigt werden. Es werden auch Forschungsaufenthalte zwischen Partnern mit ähnlichen Tätigkeitsfeldern ermöglicht. Regelmäßig werden Fortbildungsveranstaltungen angeboten, bei denen grundlegende Themen ausführlich behandelt werden. Unser Institut hat die Aufgabe übernommen die Brenneigenschaften von Alternativbrennstoffen, die von Interesse für die Luftfahrt sind, zu untersuchen. Es ist außerdem sehr stark in der Weiterbildung, wie z.B. Seminaren, vertreten. Siehe auch die externe Seite

Solar2Fuel - Sonnenlichtgetriebene Reduktion von CO2 zu Methanol
(Solar2Fuel)

Solar2Fuel ist ein Verbundprojekt zwischen der EnBW Energie Baden-Württemberg, der BASF SE, der Universität Heidelberg, sowie des Karlsruher Instituts für Technologie. Ziel des Gesamtprojektes ist die Erarbeitung einer neuartigen Technologie für die chemische Umwandlung von Kohlenstoffdioxid (CO2) in Wertprodukte mit Hilfe von Sonnenlicht. Im Fokus steht dabei die Gewinnung von Methanol, als klimaneutralen Kraftstoff in Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen. Innovativ ist dabei nicht nur der technologische Ansatz - speziell funktionalisierte Halbleiter-Nanoteilchen als Katalysatoren - sondern auch das Ziel, industrielle Abgasströme als mögliche Quelle von Wertprodukten zu nutzen. Die stoffliche Verwertung von CO2 aus stationären Quellen könnte einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft und der Vermeidung von klimaschädlichen CO2-Emissionen leisten. Solar2Fuel ist Bestandteil des Spitzenclusters "Forum Organic Electronics in der Metropolregion Rhein-Neckar".

Das Teilprojekt am Karlsruher Institut für Technologie befasst sich mit der ingenieurtechnischen Umsetzung des Prozesses, angefangen von Untersuchungen zum Stoffeintrag der Reaktionsgase in das Reaktionsmedium bis zum Design und der numerischen Simulation eines photochemischen Modellreaktors.