Stickoxidarme thermochemische Energieumwandlung von Ammoniak

08 - Stickoxidarme thermochemische Energieumwandlung von Ammoniak

Zusammenfassung

Das primäre Ziel des im SPP vorgeschlagenen Forschungsvorhabens ist der Machbarkeitsnachweis für die direkte thermochemische Umwandlung von Ammoniak in Verbrennungsanwendungen mit hoher Leistungsdichte bei gleichzeitig minimalem NOX– und NH3-Schlupf. Die Entwicklung wird durch die Kombination von drei Schlüsseltechnologien ermöglicht: (i) additive Fertigung, die die Konstruktion eines (ii) hocheffizienten In situ NH3-Reformers für die anschließende Verbrennung von H2-angereicherten Mischungen in einem (iii) selbstzündungsstabilisierten Verbrennungsprozess realisiert. Die Kombination ist äußerst vielversprechend, da der Reformer und Brenner auf gleichem Temperaturniveau betrieben werden können. Das In situ NH3 Cracken in NH3-H2-N2 ermöglicht die Nutzung der vorteilhaften H2 Verbrennungseigenschaften, bietet eine gezielte NOX-Minimierung und umgeht die transportbezogenen Herausforderungen von H2. Zu diesem Zweck sollen Multimaterial- und Mikrodosierungs-AM-Prozesse entwickelt werden, um die Herstellung einer Kraftstoffreformer / Verbrennungsluftwärmetauscher Kombination zu ermöglichen. Die große Oberfläche poröser Strukturen mit katalytischer Aktivierung beschleunigt die Reaktionskinetik und realisiert die benötigten Ammoniakzersetzungsraten. Der Zusammenhang der Verbrennungslufttemperatur mit der Reformerleistung führt zu einer breiten Spanne möglicher Zusammensetzungen der entstehenden NH3-H2-N2 Gemische und erfordert einen kraftstoffflexiblen Verbrennungsprozess. Selbstzündungsstabilisierte Verbrennung, FLOX oder MILD sind für diesen Zweck gut geeignet und ermöglichen gleichzeitig geringe thermische NOX-Werte. Die NOX-Bildung in NH3-H2-N2-Luft-Flammen mit variabler Zusammensetzung ist aufgrund komplexer Turbulenz-Chemie-Wechselwirkungen stark nichtlinear und erfordert ein verbessertes grundlegendes Verständnis welches hier erweitert werden soll. Um die Vorteile des Verbrennungsprozesses voll auszuschöpfen, ist eine homogene Kraftstoff-Luft-Mischung essenziell um lokale Hotspots zu vermeiden, thermisches NOX zu reduzieren und den Selbstentzündungs- und Verbrennungsprozess zu steuern. Die “Form-follows-function”-Designfreiheit von AM ermöglicht die Entwicklung von Gasinjektions- und Mikromischkonzepten, welche eine vom Kraftstoffgemisch und Einspritzimpuls unabhängige Homogenität bieten. In diesem Zusammenhang werden AM-Parameter optimiert und Lösungen für funktionsorientierte Bauprozesse poröser Strukturen und trägerfreier Mikrokanäle entwickelt. Im finalen Schritt werden der AM-Kraftstoffreformer, die Gaseinspritzung und die Mikromischkomponenten in den Proof-of-Concept Brenner für eine umfassende Co-Optimierung in Phase II des SPP integriert. Die Ergebnisse ermöglichen die Technologieentwicklung von thermochemischen Ammoniak-Umwandlungssystemen mit niedrigem NOX-Gehalt für stationäre und Mikrogasturbinen und können somit eine CO2-neutrale Lösung für Anwendungen in der Wärme- und Stromerzeugung sowie im Transportsektor bieten.

Project08

Forschungsteam

[:de]Hampp[:]

Dr. Fabian Hampp

Projektleiter

Universität Stuttgart
Institut für Verbrennungstechnik der Luft- und Raumfahrt 
fabian.hampp(at)ivlr.uni-stuttgart.de
 
Prof. Möhring

Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Möhring

Projektleiter

Universität Stuttgart
Institut für Werkzeugmaschinen 
hans-christian.moehring(at)ifw.uni-stuttgart.de
 
[:de]Kraus[:]

Dr. Peter Kraus

Projektleiter

Technische Universität Berlin
Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien
peter.kraus(at)ceramics.tu-berlin.de
Herr Maucher

Clemens Maucher

Wissenschaftler

Universität Stuttgart
Institut für Werkzeugmaschinen 
clemens.maucher(at)ifw.uni-stuttgart.de
 
[:de]Ahn[:]

Jihwan Ahn

Doktorand

Universität Stuttgart
Institut für Verbrennungstechnik der Luft- und Raumfahrt
jihwan.ahn(at)ivlr.uni-stuttgart.de
Sohan Acharya

Sohan Acharya

Doktorand

Universität Stuttgart
Institut für Werkzeugmaschinen 
sohan.acharya(at)ifw.uni-stuttgart.de
 
NoPicture

Sunil Kwon

Doktorand

Technische Universität Berlin
Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien
sunil.kwon(at)campus.tu-berlin.de