SPP 2419 HyCAM

Ammoniak, das aus erneuerbarem Wasserstoff hergestellt werden kann, bietet aufgrund seiner leichten Transportierbarkeit als Flüssigkeit über weite Strecken und der vorhandenen Infrastruktur eine vielversprechende Möglichkeit zur Nutzung als kohlenstofffreier Energieträger. Die Verbrennung von Ammoniak ist mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Die drei größten Herausforderungen sind die im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen niedrige Verbrennungsgeschwindigkeit, die zu einer geringen Flammenstabilität führt, die hohe Stickoxidbildung und die hohe Toxizität selbst in Spuren. Herkömmliche Ansätze zur Bewältigung dieser Herausforderungen sind die Zugabe von hochreaktiven Brennstoffen wie H2 oder CH4, um das Problem der Flammenstabilität zu lösen, die Umwandlung in gestuften brennstoffreichen/-armen Prozessen, um die hohe NOx-Bildung zu vermeiden, und die Nachbehandlung zur Vermeidung unverbrannter Ammoniakemissionen.

Motivation:

In diesem Projekt wird der Ansatz der nicht-vorgemischten Verbrennung in maßgeschneiderten porösen Medien verfolgt, um Ammoniak mit geringen Emissionen bei akzeptablen Leistungsdichten umzuwandeln. Zur Erreichung dieses Ziels besteht das Projekt aus einer interdisziplinären Kooperation mit gemeinsamer Expertise in den Bereichen Experimente (EXP), numerische Simulation (SIM) und additive Fertigung (additive manufacturing, ADM).

Ziele:

Um alle Herausforderungen bei der Verwendung von reinem Ammoniak als Brennstoff zu bewältigen, wird ein neuartiges Konzept für die nicht vorgemischte Verbrennung von Ammoniak in keramischen porösen inerten Medien (PIM) entwickelt. Die Verbrennung in PIM kann die Brenngeschwindigkeit im Vergleich zur Verbrennung ohne PIM aufgrund der Wärmerückführung durch die feste Phase um mehr als eine Größenordnung erhöhen. Die Wärmerückführung in Verbindung mit der thermischen Trägheit der festen Phase löst das Problem der Flammenstabilität. Der nicht vorgemischte Ansatz bei der PIM führt zu hohen Temperaturen der brennstoffreichen oder reinen Brennstoffströme am Einstrom, die Ammoniak ohne nennenswerte NOx-Bildung zersetzen, während die gute Durchmischung und Temperaturhomogenisierung aufgrund der Strömung durch das PIM zu einem vollständigen Ausbrand des verbleibenden Ammoniaks in der Verbrennungs- und Nachverbrennungszone stromabwärts führen. Um ein solches Konzept zu verwirklichen, sind maßgeschneiderte, hochtemperaturbeständige Werkstoffe erforderlich, sowohl in Bezug auf die Geometrie als auch auf die thermischen Eigenschaften. Die additive Fertigung von PIM-Strukturen aus keramischen Verbundwerkstoffen ist erforderlich, um den Prozess durch maßgeschneiderte Eigenschaften in Bezug auf Wärmeleitung, Strahlungseigenschaften und Dispersions-/Strömungsfeld zu steuern. Die Grundlagenforschung und Auslegung des nicht vorgemischten PIM-Brenners für NH3 und NH3/H2-Gemische erfordert ein starkes interdisziplinäres Forschungsteam in den Bereichen High-Fidelity-Experimente zur Verbrennung in PIM (EXP, KIT), detaillierte porenaufgelöste numerische Simulationen (SIM, KIT) und additive Fertigungsverfahren für thermoschock- und korrosionsbeständige Funktionskeramikkomponenten (ADM, TU BAF).

Forschergruppe:

SIM:
Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie (Prof. Dr. Oliver T. Stein)
Institut für Technische Verbrennung, Universität Stuttgart (Dr.-Ing. Thorsten Zirwes)

EXP:
Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie (Prof. Dr.-Ing. Dimosthenis
Trimis, Dr.-Ing. Björn Stelzner)
ADM:
Institut für Keramik, Feuerfest und Verbundwerkstoffe Professur für Keramik, Feuerfest und metallokeramische Verbundwerkstoffe, TU Bergakademie Freiberg (Prof. Dr.-Ing. habil Christos G. Aneziris, Dr.-Ing. Nora Brachhold)
 

Teilprojekt SIM:

Das Teilprojekt zur numerischen Modellierung und Simulation (SIM) wird die nicht-vorgemischte Ammoniakverbrennung charakterisieren, sowohl in der reinen Gasphase, als auch in PIM. Das erste Arbeitspaket wird sich mit der fundamentalen Reaktionskinetik und den Verbrennungseigenschaften von Ammoniakflammen in der Gasphase befassen, siehe Abb. 1a. Nachfolgend wird die NH3-Verbrennung innerhalb von regelmäßigen PIM Strukturen untersucht, Abb. 1b. Im letzten Schritt werden detaillierte Simulationen des maßgeschneiderten PIM-Prototypenreaktors aus Abb. 1c durchgeführt, deren Ergebnisse fortwährend mit den Gruppen EXP und ADM geteilt werden, um das Ziel der optimalen Brennerkonfiguration zu erreichen.

(a) Schematisches Brennermodell für grundlegende Untersuchungen der nicht vorgemischten NH3/Luft-Verbrennung ohne PIM. (b) Modellbrenner mit PIM für die grundlegende Systemanalyse. (c) Schematischer Prototyp-Reaktor mit vorgeschalteten Gyroid-Strukturen für die NH3-Pyrolyse und nachgeschaltetem PIM für Verbrennung und Ausbrand. Abbildungen nicht maßstabsgetreu

 

Projektleiter und Kontaktpersonen

Prof. Dr. Oliver T. Stein
Email: Oliver.T.Stein∂kit.edu

Dr.-Ing. Thorsten Zirwes
Email: thorsten.zirwes∂itv.uni-stuttgart.de

Rishabh Puri, M.Sc.
Email: Rishabh.Puri∂kit.edu