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 NO_x-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 NO_x-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:

Teilprojekt EXP:

Im experimentellen Teilprojekt (EXP) werden die grundlegenden Eigenschaften von nicht vorgemischten Ammoniakflammen und deren Wechselwirkung mit maßgeschneiderten porösen Medien in einem 2D-Modellbrenner untersucht, in den verschiedene poröse Proben eingesetzt werden können. Fortgeschrittene diagnostische Methoden werden für Ammoniakflammen angepasst und angewendet, um lokale Spezies-Konzentrationen und Temperaturen zu bestimmen. In einem weiteren Schritt wird der Prototyp-Brenner mit verschiedenen maßgeschneiderten Schichten charakterisiert, sowohl lokal mittels eines gedruckten optischen Zugangs, als auch global.

Projektleiter und Kontaktpersonen

Prof. Dr.-Ing. Dimosthenis Trimis
Email: dimosthenis.trimis∂kit.edu

Dr.-Ing. Björn Stelzner
Email: bjoern.stelzner∂kit.edu