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Projekt Nr. 104

FAUDI-Stiftung-Projekt-104

Experimentelle Untersuchung der plasmagestützten Ammoniakverbrennung mit Hilfe der Multispezies-Laserdiagnostik

Dr.-Ing. Tao Li, Prof. Andreas Dreizler
Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau, Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik
 
 
Der dringende Bedarf an nachhaltigen und sauberen Energiequellen ist angesichts der eskalierenden Auswirkungen des durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe verursachten Klimawandels noch nie so groß gewesen wie heute. Klimafreundliche Chemikalien für die vorübergehende Energiespeicherung bieten die Möglichkeit, die Treibhausgasemissionen zu verringern, was den gemeinsamen Interessen der internationalen Zusammenarbeit im Rahmen des Kyoto-Protokolls und des Pariser Abkommens entspricht. In Deutschland hat die Nutzung von Wasserstoff (H2) im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie 2020 Priorität, um das nationale Ziel der Kohlenstoffneutralität zu erreichen und die Energiesicherheit zu erhöhen, indem die Abhängigkeit von der Einfuhr fossiler Brennstoffe verringert wird.


Eine große Herausforderung bei der Verwendung von H2 ist die Lagerung und der Transport aufgrund der hohen Diffusionsfähigkeit, der geringen volumetrischen Energiedichte und der hohen Entflammbarkeit. Unter allen Speichermaterialien sticht Ammoniak (NH3) mit einer gravimetrischen H2-Dichte von 17,8 Gew.-% und einer effizienten Verflüssigung durch Kompression bei 10 bar und Raumtemperatur hervor. NH3 weist die höchste volumetrische H2-Dichte auf, etwa das 1,6-fache von flüssigem H2 und das Dreifache von bei 700 bar komprimiertem H2. Mit den vorhandenen Produktionskapazitäten und Verteilungsinfrastrukturen ist NH3 ein perfekter H2 und Energiespeicher. Die Verbrennung von NH3 oder NH3-Gemischen in einer stationären Gasturbine birgt ein großes Potenzial für die kohlenstofffreie Stromerzeugung und die Nachrüstung bestehender Infrastrukturen.

Ziele des Vorhabens

Um die NH3-Oxidationsreaktionen in turbulenten Strömungen zu verbessern, hat die nicht-thermische Plasmatechnologie ein hohes Potenzial, die Niedertemperaturkinetik zu beschleunigen und die Flammenstabilität zu verbessern. Die grundlegenden Prozesse bei der plasmagestützten Verbrennung von NH3 sind jedoch weitgehend unerforscht. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt zielt darauf ab: 1) Multispezies- und Temperaturmessungen zu entwickeln, um die thermochemischen Zustände der vorgemischten NH3-Verbrennung zu untersuchen und 2) detaillierte Untersuchungen von plasmagestützten NH3-Flammen durchzuführen, die durch intermediäre Spezies und Niedrigtemperaturchemie potenziell verbessert werden können. Diese Untersuchungen, die durch die Anwendung fortschrittlicher spektroskopischer Messverfahren in situ ermöglicht werden, können neue Erkenntnisse und ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Plasma und Flamme liefern, die für großtechnische Anwendungen unerlässlich sind.
Die wichtigsten Ziele sind im Folgenden zusammengefasst

  • Entwurf und Festlegung geeigneter Reaktorkonfigurationen für PAC
  • Entwicklung der simultanen multiskalaren Laserdiagnostik
  • Entwicklung einer Methodik zur Quantifizierung der NO-Emissionen
  • Untersuchung der Plasmawirkung auf Verbrennungszwischenprodukte und Temperatur
  • Vorbereitung der Methode zur Bestimmung der Brenngeschwindigkeit und der Extinktionsgrenzen
  • Generierung neuer Datensätze für die Entwicklung von Simulationswerkzeugen und chemischer Kinetik
Methoden und Technologie
  • Ein Reaktor mit laminarer Flamme, unterstützt durch einen DBD (siehe Abbildung)
  • Quantitative NO-LIF-Messungen
  • Multiskalare LIF-Bildgebung von NH3/NH/OH und quantitative Temperaturmessungen
  • Visualisierung von Flamme und Strömung durch gleichzeitige OH-LIF/PIV-Messungen
  • Messungen der laminaren Brenngeschwindigkeit und der extinction strain rate.