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Kolloquium Verbrennungstechnik

Programm des "Kolloquium Verbrennungstechnik" für das WS-2019/20 ist verfügbar.
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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

Probieren Sie auf dieser Seite unser Programm für die Berechnung des thermodynamischen Gleichgewichtes einer Gasmischung
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Bachelor- und Masterarbeiten

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Verbrennungstechnisches Seminar

Programm des "Verbrennungstechnischen Semiars" für das WS-2019/20 ist verfügbar.
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Forschungsprokte



Liste der aktuellen Forschungsprojekte
Fortschrittliche direkte Biogas-Brennstoff Einheit für die robuste und kostensparende dezentrale Wasserstofferzeugung
Energy Efficient Coil Coating Process
Machine learning for Advanced Gas turbine Injection SysTems to Enhance combustoR performance
Methanmotoren für Personenkraftwagen
Renewable Power Generation by Solar Particle Receiver Driven Sulphur Storage Cycle
SOot Processes and Radiation in Aeronautical inNOvative combustors
Innovative large-scale energy STOragE technologies AND Power-to-Gas concepts after Optimisation
TURBOmachinery REtrofits enabling FLEXible back-up capacity for the transition of the European energy system




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




Energy Efficient Coil Coating Process
(ECCO)

Coil Coating ist ein wichtiger industrieller Prozess, der in einem großen Teil der industriellen Stahl- und Metalllegierungsproduktion eingesetzt wird und mit großen Anlagen und großem Primärenergieverbrauch verbunden ist. Ein großer Teil der Gesamtanlagengröße und des Energiebedarfs von Bandbeschichtungsanlagen ist mit dem Trocknungs- bzw. Aushärteprozess innerhalb eines Aushärteofens verbunden, einem Engpass bei der Erhöhung der Produktionskapazität. Bei diesem Trocknungs-/Härteprozess werden organische Lösungsmittel aus dem aufgetragenen flüssigen Beschichtungsfilm verdampft und da sie brennbar sind, müssen die üblicherweise eingesetzten Härteöfen mit Konvektionslufttrocknungstechnik aus Sicherheitsgründen weit unterhalb der Explosionsgrenze (LOW) betrieben werden. ECCO bietet eine neuartige Lösung für den Aushärteofenbetrieb an, die nicht nur die Kompaktheit und energetische Effizienz des Systems drastisch erhöhen kann, sondern durch einen brennstoffflexiblen, modularen und potenziell energetisch selbsttragenden Prozess zu einer erhöhten Produktionsflexibilität führt. Die Hauptidee besteht darin, das Metallband durch IR-Strahlung zu erwärmen und den Aushärteofen weit über die obere Explosionsgrenze (UEL) hinaus zu betreiben, um den Trocknungs- und Aushärtungsprozess in einer Atmosphäre durchzuführen, die hauptsächlich aus Lösemitteldämpfen besteht, die als Brennstoff in IR-Strahlungsporenbrennern verwendet werden.

Abbildung 1: Vergleich von herkömmlichen Trocknungsprozessen zu ECCO Konzept.

Diese Lösung führt zu einer Reduzierung der Größe/Produktionskapazität von 70% und zu einer Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten um jeweils mindestens 40%. Ausgehend von den bisherigen Aktivitäten bei TRL 4 ist ein interdisziplinärer Ansatz vorgesehen, der auf fortschrittlichen Werkstoffen, Verbrennungstechnik und Prognosewerkzeugen für die Systemauslegung/-optimierung aufbaut, um diese Technologie unter aktiver Beteiligung der wichtigsten industriellen Akteure in TRL 6 einzubringen und einen Prototypenofen in industriell relevanter Größe und Umgebung zu realisieren.

Video 1: Lösemittel während Zündung in Explosionsprüfstand zur Ermittlung der Sauerstoffgrenzkonzentartion.

 





Machine learning for Advanced Gas turbine Injection SysTems to Enhance combustoR performance
(MAGISTER)


Das Projekt wird im Rahmen von Marie Skłodowska-Curie Actions als Innovative Training Network (ITN) gefördert.

Der Luftverkehr wird in den nächsten Jahrzehnten voraussichtlich weiter wachsen. Saubere Verbrennungstechnologie für Flugzeugtriebwerke ist ein Schlüsselfaktor, um die Auswirkungen dieses Wachstums auf die Ökosysteme und die Gesundheit der Menschen zu verringern. Die Vision für den europäischen Luftverkehr wird durch die Ziele des Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe in the Flight Path 2050 geprägt, das strenge Vorschriften zu Schadstoffemissionen definiert.

Um diese Ziele zu erreichen, entwickeln die großen Motorenhersteller mager vorgemischte Brennkammern, die mit sehr hohem Druck betrieben werden. Diese Entwicklung birgt ein großes Risiko für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Motoren: Druckschwankungen in der Brennkammer, die als Thermoakustik bezeichnet werden.

Die Luftfahrtindustrie erlebt derzeit die vierte industrielle Revolution: Cyberphysikalische Systeme analysieren und überwachen technische Systeme und treffen automatisierte Entscheidungen. Diese industrielle Revolution wird in Deutschland als "Industrie 4.0" und in den USA als "Industrial Internet" bezeichnet. Ein wesentlicher Treiber der vierten industriellen Revolution ist Machine Learning.

Das ITN MAGISTER wird Machine Learning nutzen, um die Thermoakustik in Flugzeugtriebwerksbrennkammern vorherzusagen und zu verstehen, und die Verbrennungsforschung zu einem revolutionären neuen Ansatz in diesem Bereich hinzuführen.






Methanmotoren für Personenkraftwagen
(MetCar)
Heutige Erdgasmotoren für PKW basieren auf Benzinmotoren und sind nicht konsequent für die Methanverbrennung optimiert. Mit seiner hohen Klopffestigkeit bietet bereits Erdgas gegenüber Benzin ein signifikantes Effizienzsteigerungspotenzial. Dies kann durch EE-C-Methan mit hohen Methangehalten und einer damit einhergehenden höheren Klopfresistenz (höhere Methanzahl) noch erhöht werden, da wirkungsgradsteigernde hohe Kompressionsverhältnisse bei gleichzeitig sehr hohen Aufladegraden ermöglicht werden.
Um die hohen Wirkungsgrade bei gleichbleibendem Fahr- und Verschleißverhalten zu ermöglichen, sind bei der Entwicklung eines optimierten Motors zahlreiche Teilaspekte wichtig, die umfassend im Projekt bearbeitet werden. Hierzu gehören insbesondere motortechnische Anpassungen der Spitzendruckfähigkeit, die Ladedruckerhöhung zur Vermeidung von Füllungsverlusten mit Hilfe von neuartigen Injektoren zur Gasdirekteinblasung (Methan DI) und Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, sowie ein vollvariabler Ventiltrieb. Neben den motortechnischen Entwicklungen ist auch der Einfluss der Gasbeschaffenheit von Methan, insbesondere EE-C-Methan, als Kraftstoff ein wichtiger Baustein für die Markteinführung. Hierzu wird der Einfluss der zu erwartenden Hauptkomponenten (CH4, H2) und von Spurenstoffen (schwefelhaltige Odoriermittel, Kompressorenöle) auf Komponentenverschleiß und Katalysatorwirksamkeit anhand von Teststandsversuchen untersucht.
Der dritte innovative Baustein stellen grundlegende Untersuchungen zur Vermeidung von Partikelemissionen an Methanmotoren dar. Hierbei stehen sehr kleine Partikel im Fokus.




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).





SOot Processes and Radiation in Aeronautical inNOvative combustors
(SOPRANO)
Die wissenschaftliche Hauptziel von SOPRANO ist es einen Durchbruch in den Forschungsbemühungen auf dem Feld der Rußpartikelchemie, der Partikelgrößenverteilung und deren Auswirkung in Bezug auf Strahlung bei Betriebsbedingungen, die typisch für Luftfahrtantriebe sind, zu erreichen. SOPRANO zielt darauf ab das Wissen und die Möglichkeiten experimenteller und numerischer Untersuchungen zu verbessern und so die Charakterisierung und Vorhersage von Rußemissionen unter "Low NOx" Verbrennungsbedingungen zu ermöglichen. 

 
Das industrielle Hauptziel von SOPRANO besteht darin die detaillierte Charaterisierung von Rußpartikeln durchzuführen, die von modernen Brennkammern bei realitätsnahem Betriebsbedingungen (z.B. bei erhöhtem Druckniveau) entstehen und so den Weg freizumachen für ein zukünftiges Design von hocheffizienten Brennkammern. Dazu ist eine genauere Bestimmung der Strahlungseigenschaften und damit der Brennkammerwandtemperaturen erforderlich. 




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.

 





TURBOmachinery REtrofits enabling FLEXible back-up capacity for the transition of the European energy system
(TURBO-REFLEX)
Logo

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.


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